深度攝影機與即時3D建模技術

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

十九世紀初，倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒，他握著剛領到的工資，興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打 (Alessandro Volta) 所作電學實驗的書給吸引住，但他身上的錢不夠，而且這是本法文書，他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金，並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

研讀之後，他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池，但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃，根本不用買，就拿手上的銅板便士 (penny) 取代就行啦！這就是惠斯登，從小就努力追求新知，並展露發明的天份。

他的發明橫跨不同領域。除了在自己的本行上發明六角形手風琴，他也是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45 度角的反射鏡，而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花，透過稜鏡會呈現各自特有的光譜，為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法 (Playfair cipher)，而廣被軍隊採用，直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

不過他奉獻最多的還是在電磁學方面。他將電線從中切開，接上萊頓瓶，再用快速旋轉的鏡子測量跳過電線缺口的火花延遲的時間，而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度還快了 50%，但他所發明的旋轉鏡卻在後來物理學家測量光速時派上用場。他和威廉・庫克 (William F. Cooke) 於 1837 年共同發明電報，不但成為最早的發明者，並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」(Wheatstone bridge) 至今仍被廣泛用來測量電阻。他也是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵，而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登靠著自學，從一個樂器行的學徒變成一位多產的發明家，還成為英國皇家學會的一員，可說是事在人為的最佳例證。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

報導/江書賢

在生活中各種時刻，拿起智慧型手機把所見的人事景物拍攝下來，或者透過網路攝影機和朋友視訊通話，對於許多人來說已經是生活不可或缺的部分。在不知不覺間，我們常常是透過屏幕來觀察實體世界；另一方面，我們更是經常透過屏幕來瀏覽網路等資訊世界裡的訊息。既然兩者都常常透過同樣一種媒介和我們接觸，資訊和實體兩個世界愈來愈加緊密的結合，便是一個不讓人意外的趨勢。例如我們藉由掃描印在實體物品上的QR code，來讀取連結的資訊，或者是用手機拍了照片以後，使用Line等軟體把相片加上可愛的熊大與兔兔貼圖，像這些把來自資訊世界裡的文字或者影像，附加在來自真實世界的物件影像上的需求，將會更加普遍的成長。

擴增實境(Augmented Reality，AR)是將電腦、網路等資訊世界中的虛擬影像（尤其是３Ｄ影像），和實體世界中的物品互相結合，並且實現使用者與虛擬影像物件之間互動的技術。想像我們手拿一張圖片，在手機鏡頭或Web cam前面輕輕一晃，屏幕中所顯示的影像，除了出我們手拿著實體圖片以外，還憑空長出一些3D的虛擬物件，比如說飛碟或機器人，會追著我們手拿的圖片跑，甚至我們可能可以和這些虛擬3D影像進行互動，是不是很有趣呢？又或許是拿著某個商品的包裝盒，屏幕中的包裝盒上就會浮現出盒內商品的３Ｄ影像，比起印刷在平面上的包裝照片來說，能更增加消費者和包裝商品的接觸感。擴增實境的技術，想必在未來的物聯網中將會是一項商品銷售競爭上的利器。

既然要達成虛擬物件和真實物件兩者之間的連結，就必須讓電腦具備能從攝影機所拍攝到的影像中辨識出實體物件的能力。目前比較普遍的是利用QR code標示在實體物件上，但是如果要更普遍的廣泛應用在各種物品上，大家應該不會喜歡見到隨處可見的各種物品都印上死板的黑白方框圖像吧？如果電腦能夠直接辨認出物件上本身就具有的紋理特徵，就可以讓虛實物件之間的整合更加自然而不留痕跡，這就是無圖標AR技術所要達成的目標。

工研院南分院微系統中心視覺互動技術部的陳柏戎經理表示，先前無圖框AR的技術已在外國發展一段時間，技術由外國公司掌握，若是國內的廠商想要將無圖框AR的技術應用在商品上，必須支付很高昂的授權費用，所以目前國內很少廠商能利用這一種技術。工研院為了提供國內廠商的底層技術支援，因此著手進行無圖框AR的自主技術開發。

研發團隊目前的軟體技術開發成果，除了能達成不需要有特定邊框圖案的物件紋理特徵辨識與追蹤以外，更可以容許辨識目標物有超過30度的旋轉，並且容許辨識目標30%的遮蔽，因此電腦能夠更容易的成功辨識物件，不會因為在實用情境下，物品沒有正對著鏡頭，或著因為手拿著物件時不小心遮蔽到一部分的圖樣，就無法成功辨識物品。

相較於QR code 使用方形邊框與黑白圖樣等預先規定的特定圖樣模式來作標示，無圖框AR的技術目標是要能辨識更加自由多樣的圖案或紋理特徵，所以圖樣辨識的演算法必然會比QR code的辨識要複雜上很多，辨識的運算速度因此成為技術開發上的一大挑戰。研發團隊在開發演算法時，必須設計目標物件紋理的不同特徵部位的定義與擷取方式、權重分配，並且考慮辨識目標在各種不同的情境，如光線、旋轉角度、目標物和鏡頭間的距離時，能夠自動選用一組適合的特徵定義方式來進行辨識，才能使執行速度夠快，以符合即時性的要求。

除了目標物件特徵辨識的演算法以外，研發團隊進行的另一項技術開發重點是實體物件的辨識系統與虛擬物件的3D繪圖引擎的整合。目前市面上的3D繪圖引擎有許多不同的廠牌與版本，若國內的產品開發廠商想請國外公司提供無圖標AR技術的服務，經常會碰上兩家公司所使用的軟體不一致的情況，國外的技術廠商不一定會願意為小型的客戶處理軟體的相容性問題，因此會造成技術運用上的障礙。工研院作為促進本國創新科技的研發與技術支援單位，進行自主技術的開發，可以為國內的業者提供無圖標AR系統與其他軟體相容性問題的解決服務，作為國內產業底層技術的後盾，並且促成國內相關廠商的技術合作與整合。工研院所研發的系統目前是在PC平台上運作，現在正把開發目標朝向跨平台的技術延伸，如智慧型手機等行動裝置與嵌入式系統上。

擴增實境(AR)技術的概念已經被提出了十幾到二十年的時間，但是過去因為取像與顯示設備的體積、重量、成本等等硬體的限制，所以仍未充分發展，但是隨著近年來這些硬體設備的快速發展，甚至如Google Glass這些隨身的穿戴式系統也開始崛起，擴增實境的技術未來將有很大的應用空間與成長機會。或許在不久後的將來，人們就可以戴著擴增實境眼鏡上街，像許多科幻電影中機器人的視野一般，眼中所見許多物品旁邊都附帶著凌空的立體虛擬圖像或者文字資訊。

技術專頁:無圖標AR技術 

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