拆裝機床就像堆積木一樣簡單－可重組化精微元件製造系統

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

在特務電影中，通常有一位（或一組）科技專家與之搭配，用魔法般的發明，預料執行任務中可能遇到的各種問題，事先設計發明或炫目或低調的科技。得在垂直的高樓玻璃帷幕上攀爬？沒問題，這是一雙戴上就宛如壁虎的手套。需要變臉偽裝？沒問題，這是一臺可攜 3D 皮膚列印機。需要從飛機上跳下來？沒問題，這是一套可變身滑翔飛鼠裝的西裝……。

如果把臺灣比喻為特務，那麼經濟部技術處就是那位科技專家。或許這麼比喻讓你覺得牽強，但在貿易戰未休、半導體缺貨、疫情一波波、淨零碳中和各種趨勢與危機夾雜的此刻，臺灣的確愈顯重要，也更需要技術手段幫自己脫困突圍。

於 109 年 10 月接任經濟部技術處處長的邱求慧，肩負為臺灣孵化更多科技的關鍵任務。技術處「運用經濟部『科技研究發展專案計畫（簡稱科技專案）』，整合法人研究機構、產業界、學術界之研發能量與軟實力，促成國家創新系統成員間的科技創新連結，開發具前瞻性、關鍵性及跨領域之產業技術，並將研發成果多元移轉落實產業界應用，促進創新研發成果走向產業化與國際化，以厚實產業技術能量，提升產業創新效益。」

上頭這串介紹技術處的文字，引用自官網，也的確「官樣」。這正是邱求慧欲改變的其中一點。「我來之前就已經在變了，我來之後可能變本加厲！」身形高挑、身著合身西裝的他接受泛科學採訪，坦言希望政府的科技成果也能更科普，別老是艱澀又官樣感。「這樣政府做的很多事沒人知道，就很可惜啦。」他說。

我來，是為了發展 100 個故事

雖然網站上關於技術處的介紹不太親民，「技術新知快遞」、「產業技術知識+」等專欄的內容亦針對產業界撰寫，稱不上科普。但技術處早就整合了 20 多間研究機構（工研院、資策會、生技中心、金屬中心等），透過「解密科技寶藏」的網站、社群媒體跟實體展覽，積極地想讓這些成果「被看見」。

邱求慧說，雖然技術處與法人面對的廠商大多都很專業，但也不是專業性都那麼高。而且再怎麼專業，也得跨領域跟其他專業互動。同時作為政府一環，技術處也要對立法委員、一般民眾溝通，讓大家都能懂。因此他要求同仁未來產出的內容別再官樣，要更科普，讓技術處裡處外與民意代表都能懂。

在去（2021）年 10 月，行政院跨部會主辦之台灣創新技術博覽會（前身為台北國際發明暨技術交易展）期間，技術處展出約 80 件具前瞻性及產業效應的技術。身為領導人，邱求慧積極現身推廣，邀請吳淡如、路怡珍兩位各具影響力的 Podcaster/YouTuber 合作，用輕鬆、聊天的方式談展出的技術。

「例如路怡珍就問我，什麼是 WiFi 雷達？」說到 WiFi 大家都知道，但 WiFi 雷達其實是用來精準定位跟監測人體生理訊號，由工研院在技術處支持下開發成功。簡單來說，就是像蝙蝠的聲納。WiFi 雷達可以用在電廠鍋爐爐管檢測、提高人員作業安全；也可監測是否有粗心父母、飼主把小孩子或寵物遺忘在車上；由於能感應呼吸心跳、翻身次數，WiFi 雷達也可用來偵測睡眠品質。邱求慧表示，就是要透過不熟悉這些技術的網紅，來幫大家問出專業覺得稀鬆平常、但對非專業卻隔層山的問題。

除了帶來外部流量，邱求慧也強化內部賦能。例如在為研究機構（法人）辦的講座，邱求慧請來《TVBS 一步一腳印》的主持人詹怡宜與暢銷作家/故事教練許榮哲對教科技人「怎樣把科技的故事講好」，「技術如何服務社會」。

「以前的技術處長可能是來發展 100 個技術，我來這邊，是為了發展 100 個讓人記得的故事。」他以身作則，親自訪談技術處企業創新研發專案補助的案例，挖掘故事。他說得很直白：「我看官樣的影片、文章，馬上就略過了啦！所以我來了以後就跟同仁商量，能不能換個方式，把過程中的故事擷取出來。」

補助是沃土植花，非錦上添花

在受訪前一天，技術處剛發表一則微電影「那些足球教我的事」，講的是聯發科獲得技術處「A+企業創新研發淬鍊計畫」的故事。邱求慧記得剛到技術處述職，就被質疑：「聯發科已經是傑出的廠商，為何還要靠政府補助？」由於這是他來之前的決策，一開始他也無法回答。

後來與聯發科總經理黃合淇交流，他才了解其中來龍去脈。黃合淇對他說：「你不要看我們聯發科現在很風光，股價破千，但我在申請的時候股價才 200 多。」由於在 4G 階段，聯發科進度發展落後，與競爭對手高通的距離拉大，現金流短缺，研發經費只有高通的 ⅓ ，這時迎來 5G 競爭，明顯居於弱勢。

5G 以頻段區分，可分成 6 GHz 以下的 Sub-6 與 24GHz 以上的 mmWave 毫米波。高通選擇發展 Sub-6 GHz 與 mmWave 毫米波整合晶片，聯發科卻只發展 Sub-6 窄頻晶片，這在當時是個風險極高的大賭注。然而後來由於各國市場考量成本與產業生態鏈，率先採用 Sub-6，反而讓聯發科獲得先發優勢，恢復元氣，成為現在的破千股王。邱求慧表示，回到那個時間點，聯發科面臨的挑戰極為嚴峻，畢竟 5G 若再失敗，遑論 6G。

雖然經濟部破紀錄補助了 7 億，但聯發科自己投了 300 億。「我問他說：7 億跟兩三百億差那麼多，還要花時間寫報告給政府，何必呢？他說那是一個信心，代表政府願意跟他站在一起，去幫他背書。雖然聯發科在台灣很大，但在國際上的競爭對手更大。」

邱求慧笑著說，成功之後，人們才說現在股價那麼高，怎麼還拿政府補助？但誰想起 4 年前那場豪賭？於是他決定邀請導演，將這故事透過微電影演繹。

「作為處長，資源怎麼分配是很大的難題。」邱求慧語氣慎重地說，如今台灣大型科技企業每年研發經費至少 6000-7000 億，但技術處的 A+ 計畫補助一年才 20 億，補助對象還包括外國企業，如 A+計劃下的「全球研發創新夥伴計畫」邀請與我國企業有互補互利關係之外國企業在國內共同研發，補足研發升級之缺口。他另外補充表示，經濟部工業局的產業升級創新平台輔導計畫（TIIP）每年也才 10 億多，與 6000-7000 億的企業研發經費根本不同規模。

「40 年前，台積電可能可以靠政府全力支持站起來，但現在企業已經發展得很強了，不可能一體適用。我們只能挑有潛力、要起步的新創，幫助他們越過死亡之谷，或是挺現有企業挑戰極為困難的課題。」邱求慧說。

因此他認為政府的補助就算是雪中送炭，也只能送給有潛力的哪些。如何看懂、挑中潛力者，帶回千百倍的效益，就是他與技術處的挑戰。他強調：只要企業迎向挑戰，面臨巨大風險，政府會幫一把。「我是在他需要的時候支持他，不是在他好的時候。」

科技要有社會影響力

另外一部技術處近期上傳的影片「我的黑手阿爸」，則是傳統機械工廠的數位轉型故事。在技術處支持下，工研院開發了「智慧機械雲」，這是一套簡易的傳產數位轉型方案，透過數位機上盒收集機台資訊，讓資料透通，還可進一步客製化，基本的 ERP、進銷存、物流管理等服務都有，進階 App 如「射出機通訊模組」、「幾何公差標注模組」、「工具機剛攻性能評價」等熱門項目，皆可免費下載。

邱求慧說，要黑手老闆花 200 萬導入科技專案很難，要把 200 萬賺回來也很難，因此政府直接提供解決方案。為了推廣，技術處做了田野調查，找到一對父子，爸爸是黑手，兒子則在工研院服務，想用智慧機械雲幫忙，但卻被父親痛斥，覺得是在否定自己把孩子拉拔長大的技術。當然，父子後來互相諒解，攜手合作，按照數據反饋調整機台，提升良率。拍成微電影後，很多老闆看了，對機械雲興致大增，很快會員數就破千家。

以身作則說故事之外，邱求慧更進一步改變法人的績效指標，加入一個評量重點：社會知曉程度。他表示以前的指標不外乎專利數量、技轉金金額、成立公司家數……「但以後還要看有多少外界的人知道、在乎我們在做什麼」。

顯然，單向說故事並不夠。邱求慧要求技術處與旗下法人要重視社會影響力，以實際行動改變偏鄉、弱勢處境，解決問題。「政府存在，本來就是要照顧弱勢，解決市場失靈的問題。」以南投縣仁愛鄉的科技食農驗證場域為例，由於近年來山區缺水，導致作物收成不理想，技術處透過科技專案，導入工研院的農工整合技術，例如環境感測精準滴灌，能節省工時與一半以上的用水。或是針對當地特色作物「大和當歸」做 DNA 鑑定，採取「多重壓差萃取技術」，分析其含有豐富植物多酚、黃酮素等高抗氧化物，再加工開發「大和當歸薰香」、「大和當歸複方多醣體養生飲品」、「護手護足精萃」等產品，做到全株利用零廢棄。

「我們用經濟部技術處的品牌來跟通路洽談，跟農委會與交通部一起合作，打造伴手禮跟智慧旅運。例如一個小農要載貨到鄉公所，但沒有車，就可以用在地專用的叫車服務來集客、隨選駕駛。」邱求慧表示，技術處整合這些科技，帶來觀光客、讓物暢其流，也為地方創生打下基礎。本身熱愛登山跟歷史的他更興奮地表示，離仁愛鄉公所不遠，就是當年莫那魯道逃亡的路線，富有傳奇色彩與歷史意義，很期待當地能逐步整合這些特色。

接地氣還要接未來

介紹專案，邱求慧興致勃勃，談臺灣科技的下一步，他則戰戰兢兢。

他表示，技術處「永遠都有選題的問題」。淨零碳排、美中貿易戰、後疫情時代都是重要趨勢，但與其見風轉舵，他更在乎法人的創新力。

「法人的角色，在台積電成立後，偏向幫現有廠商解決技轉問題。做前瞻技術，成為新創的，比例不到 1%。」他稱這些都是「累加性的改良」，而不是「顛覆性的技術」，是在既有的神山上堆石頭，而不是另一場恢宏的造山運動。

他坦言「新的技術進到既有公司，有董事會、營收壓力，反而會壓抑突破性的創新。」新創公司的時間感則不同，比養在內部的團隊更有機會點燃創新。即使這兩年台灣半導體備受全球關注，他亦不諱言這是臺灣吃了 40 年的老本。韓國有 Naver、Kakao，中國、美國更不用講，臺灣呢？

「我們過去太成功了，在金融風暴時也太成功了，卡在成功的路徑上，覺得這樣很好。但我覺得台灣若再吃老本，也吃不了十年。」因此邱求慧鼓勵技術處與法人從選題開始，就要設想 10 年後，跨大步創新。他的目標是提高法人研發技術衍伸新創公司的比例，從1%提高到 20%。他說，生技公司莫德納（Moderna）的 mRNA 技術，10 年前也被看成笑話，臺灣要有投資 10 年後甚至更長遠的想法，不然只會原地打轉。

他坦言，法人被 KPI 導向思維綁住，待在舒適圈太久。「有哪個專案 KPI 會達不成？久了法人都把 KPI 設定得容易達成，但有產生真正的大效益嗎？」

為了替法人注入衝刺、挑戰的文化，得先移除對失敗的恐懼。邱求慧表示之前法人計畫若沒達成會扣款，但他認為失敗是正常的，失敗不該直接連結懲罰，反要鼓勵失敗繼續衝。因此他甘冒風險，推出一個關鍵改革：法人的研發成果收入上繳，從原本只收現金，改成現金或股票皆可。

他表示法人機構長年下來，已能精算上繳金額跟成長率，但「每年都成長 0.5%」。「我覺得『幹嘛呢？』每年都成長 0.5 %，10 年後也只不過是打平，這樣台灣怎麼會進步？」

雖然股票可能會成為壁紙，但也可能上市，如台積電那樣，成為臺灣下一個 30 年的護國神山。開放法人上繳股票，就是鼓勵法人把技術變新創。「我們就讓他一年成長 10%、20%、30%！當然，也可能後年降 5% ，但平均年成長率可以是 5%-10%。」

他說有人可能罵：為什麼你當處長，法人上繳的金額下降？「但我讓你罵嘛！大家要看長。你會發現，法人過了下一個 10 年，成長率是高的，而不是停滯的。」他滿懷信心，但也認真強調要讓法人去衝。當然，創新也要有風險概念，但「你的風險我幫你承擔，我的風險我想辦法承擔。頂不住我就不會戀棧。」

法人每年拿很多國內外獎項，有如 KPI 達成之外的加分題，但他認為若要真正彰顯得獎價值，要盡量「把獎項當工具，去為新創募資」，而不是把得獎當成最終目的。

技術處支持工研院研發的「智慧倉庫解決方案」，在 2021 年 4 月得到美國愛迪生獎人工智慧類別金獎，讓工研院連續五年獲得愛迪生獎。邱求慧說，有人質疑工研院怎麼做得過亞馬遜，關鍵在於臺灣地小人稠，才會發展出立體倉儲方案。他期待像這樣的軟體創新能夠更多，成為一股造山力量，畢竟臺灣不能只靠硬體神山。

為臺灣打造科技新神山，是邱求慧的任務，但臺灣的山巒以及此間的古老故事，卻是邱求慧的精神棲地。

「我雖然是工程人，但在生活上都看人文、歷史的書。」他自陳從小就對人文有興趣，雖然由於社會、家庭的期許走上工程之路（還走得非常好），但他始終覺得自己是個「被耽誤的歷史學家」。在工作之餘，人文歷史的探究、山巒林間的縱走，幫他紓解了壓力，讓大腦切換再啟動。

「投入另一個領域，幫自己找到方向，可以 refresh 自己。最重要的是本身有興趣。」他時常在個人臉書上發表自己對古代文獻的研究心得，樂此不疲。

為了寫一篇文章，他要收集百篇文獻，釐清脈絡、時間。去年（2021）10 月，他登新竹五指山，還解開一宗清朝兇殺命案。為了寫這篇，他分析了林爽文事件前幾年，臺灣民眾對政府的不信任，為的是看出歷史事件代表的意義。

「有時候不是科學難懂，而是人們不相信政府。那要做什麼大家才會相信？」做為經濟部技術處處長，愛講故事的邱求慧一方面從歷史學教訓，也要培育科技與創新，讓台灣有值得傳誦到未來的新故事。

攸關生存的金屬

金屬具有完全不見於其他材料的種種特性。有些十分堅硬、強韌，適合用來製造工具，武器或結構零件，好比釘子或完整大梁。不過金屬也具有可塑性，不像陶瓷那麼酥脆——金屬受壓時會變形，不會碎裂，還可以拉成細絲，能用來固定、製造圍籬或傳導電力。多種金屬還能抗拒非常高的溫度，是打造高性能機器的理想材料。

你在「大墜落」過後，必須盡快重新養成的能力，不只是掌握用鐵，還得加上鐵碳合金：鋼。鋼含有鐵、碳混合原子，而且遠遠超過各部分的加總。把碳原子納入，大幅改變了金屬的特性，而且你可以因應不同用途，改變碳原子比例，從而控制鋼的強度和硬度。

我們到後面才會檢視，該如何從無到有，開始製造鐵和鋼，因為緊接災後，你肯定很容易就能撿到鋼鐵材料。只要重新學會鐵匠的傳統技能，這些撿來的品項，也就可以活化再利用：在平爐（編按：有蓄熱室的煉鋼爐）或鍛造爐上的砧板一邊處理作品，一邊讓它保持灼熱，同時也用鎚子和鐵砧改造外形。綜觀整段文明史，人類之所以有辦法利用堅硬的鐵，理由便在於，鐵受熱會暫時改變物理特性，質地軟化並具展延性，得以搥打塑造成形，輾軋成薄片或者抽成管、線。這很重要，因為這表示，你可以使用鐵製工具來處理鐵材，製造出更多工具。

如何加工鐵器

用鐵製造工具，最重要的知識就是有關於如何讓鐵硬化的原理——淬火和回火。要讓鐵硬化，可以把它加熱至火紅，好讓內部鐵碳晶體，轉化為硬組態的同素異形體（編按：同一元素因為分子式排列方式不同而有不同的物理形態，但化學生質相似）（它沒有磁性——這可以在加熱時檢測）。不過隨後若是讓它緩慢冷卻，這種晶體就會恢復原來形式，所以必須急速冷卻，才能得到你想要的。採淬火加工，再把高熱鐵件泡進水中或油中。然而堅硬的物質也會很脆——易碎裂的鋼鎚、劍或彈簧都毫無用處——所以製品淬火之後還必須回火。這種做法是再加熱，維持較低溫度一段時間，讓某個比例的分子結構鬆弛開來——刻意犧牲材料的部分強度，換回一些柔軟度。你可以經由回火來調節鐵的材料特性，而這就是因應功能來需求改造金屬的基本要點。

還有一項重要技術到比較晚近才發展成形，那就是銲接，用已融金屬來膠合金屬。乙炔能產生的熱度，凌駕所有可燃氣體，在氧氣流中的燃燒溫度超過攝氏三千二百度。要產生銲接氣炬，可以經由一支點燃的噴嘴，分別控制加壓氧和乙炔氣流。純氧可以藉由電解水取得，或者往後將液化氣體分餾後來取得。乙炔可以取水與碳化鈣塊相互反應後釋出，而碳化鈣本身，則是取生石灰和木炭（或焦炭）一起擺進火爐加熱生成，這兩種物質我們已經介紹過了。除了膠合金屬，氧乙炔火燄還能做為鋼鐵的切割氣炬，產生氧氣噴流來燒熱金屬，再切出整齊的線條。

電弧銲機所產生的溫度還更高，約可達到攝氏六千度——如舞動閃電的威力。串接一批電池或使用一台發電機，就能產生充足電壓，持續觸發火花（或電弧），躍過目標金屬和碳電極的間隙，讓電極在金屬表面移動，就能銲熔或切割。這種臨時湊合的氧乙炔氣炬或電弧切割機，是拾荒小組奉派進入死寂城市時不可或缺的設備，可以用來拆解廢棄殘骸，拾回最有用的物資。使用電弧爐是熔解廢鋼料，回收再利用的有效做法。電熔爐基本上就是台巨型電弧銲機，電力從大型碳電極湧現，通過金屬並熔解，裡面還有石灰岩助銲劑，用來去除雜質，表面化為熔渣，熔鋼則如水壺倒水般傾倒出來。使用可再生電源來運作的電弧爐是一門必須掌握的重要技術，這樣才能紓解末日後世界對熱能燃料的需求。

不過取得金屬物資的能力，只做對一半，你還必須能夠熟練處理這類材料，依你所需樣式打造成形。假使你找不到還能操作的工具機，那麼你有多少機會，可以從頭製造出新機具？

製作小型工作室

一九八○年代，一位機械師提出了一項優雅的例證，他打造出一個支具齊備的五金工作坊——包括車床、金屬成型機、直立鑽床和銑床等一應俱全——材料不過就是黏土、沙、木炭和幾塊廢金屬。鋁是個不錯的選擇，因為鋁熔點低，方便鑄造，而且非常不容易腐蝕，因此就算在末日災變過後許久，依然可以找到。

這項出色計畫的核心是個小型鑄造設備，撿來的金屬桶，裡面鋪了一層黏土耐火內襯，使用木炭焙燒，並從桶側導入氣流來強化燃燒作用。用這台火爐熔化撿來的鋁，已經綽綽有餘，接著就可以把熔融金屬倒入模範裡，鑄造出五花八門的機具零件。外範的製造原料可以採用細沙混入黏土（做為黏著劑）並添點水，接著讓它緊緊包覆內模，外框則是個兩件式木盒。

以下影片，示範了如何用生活中可見的器具製作一個小型鑄造廠，並在融化鋁罐後，用沙範創造出五花八門的器具。

要打造的第一台機器是車床。簡單的車床含一件平坦長梁，稱為床座，頭座固定於一端，另一端則是尾座，能鬆開鎖具並沿著床軌左右滑動。工件裝置於頭座上的心軸——或栓在面板上，或以可動爪夾頭鉗住——接著整個工件由一套滑輪或齒輪系統帶動，繞著這個中心軸旋轉，至於原動力就看你已經駕馭了哪些類型（水車、蒸汽機或馬達）。尾座可以用來支撐工件的另一端，並能因應不同長度沿著床座滑動，也可以裝上鑽頭等工具，於是你就可以旋轉工件並沿著中心軸線鑽孔。車床還有個刀座，上面安裝切削工具，同樣能沿著床座滑動，由於採用橫滑台，能精準調校工件位置，邊轉動邊切削，雕琢出合宜的剖面。最令人稱奇的是，這台車床不只能夠複製出它本身的所有零組件，打造出更多車床，而且當你憑空徒手製造這第一台車床，還在初步階段之時，已經可以利用它來打造出其餘必要零件，完成這項設備。

為了能在工件上切出精確螺紋，你必須沿著床座方向安裝一根長條導螺桿，就能順暢移動刀座，而且最好是與頭座、心軸的齒輪耦合，讓雙方動作完美協調。你在末日後世界真正得期盼能撿到已經做好的長條導螺桿，因為要切削出螺距固定的螺紋，可說難如登天。依我們的歷史經驗，第一道精密的金屬螺紋是歷經反覆改良，走過漫長進程，才終於打造成形，接著才以此製造出其他眾多成品，你肯定希望不必再次走過這趟路程。

一旦車床到手，你就可以運用它來製造組件，完成其他遠遠更為複雜的工具機，好比銑床。車床的用途是利用車刀來處理在夾頭上旋轉的工件，銑床則是用轉動車刀，切削固定在夾頭上的工件，具有十分廣泛的功能——有了銑床之後，你大致就能打造出其他零件。所以這項示範，也就相當於技術史的縮影：簡單的工具製造出比較複雜的工具，包括自己的進化版，並反覆這個循環，一步步向上推展。

從礦石中分離金屬

不過萬一你找不到純化金屬供鍛造或鑄造，或者你能撿到的都已經用光了呢？你該怎樣從岩石煉出金屬？冶煉的原則是去除礦石中金屬化合物的氧、硫或其他元素。這必須消耗一種燃料來達到高溫，還要一種還原劑和一種助熔劑。木炭（或焦炭）是發揮頭兩樣功能的極佳用料，它能燒出猛烈火燄，在熔爐中燃燒時，還會釋出一氧化碳，這種強效還原劑能去除氧氣，留下純金屬。簡陋煉鐵爐的藍圖，看來就像燒製石灰的窯爐設計。爐內裝填了一層層木炭燃料和粉碎的鐵礦石。礦石混入一些石灰岩，做為助熔劑來降低耐火脈石（無利用價值的固體礦物）的熔點，讓它在爐內化為液體並吸收金屬雜質。助熔劑形成熔渣並流掉，於是你就可以從爐中提取純金屬珍寶。

倘若熔爐的運作溫度，達不到足以熔鐵的高溫，那麼你就必須取出海綿團狀固體金屬，擺在鐵砧上搥打，讓鐵融合在一起並打出殘留熔渣。這種純熟鐵還不夠堅硬，不能用來製造工具，必須再次用木炭猛烈加熱，吸出一些碳並形成鋼材，接著又一次擺上鐵砧處理。這樣反覆摺疊、打扁，基本上就是在攪拌固態材料，產生出均勻的鋼材，最後便可以拿來鍛造成最後形式。這是會令鐵匠腰酸背痛的苦工，而且鋼材產量也嚴重受限。發展出現代文明的關鍵，是養成有效大量製鋼的產能。底下就告訴你該怎麼做。

解決之道是強力鼓風讓空氣向上流過層疊爐料，增強燃燒。中國人在公元前五世紀就發明了鼓風爐（比歐洲早了一千五百多年），隨後並改良設計，使用水車驅動活塞風箱。為達到更高效能，加熱到更高溫度，可以使用從熔爐煙道逸出的高熱燃燒廢氣來預熱空氣，鼓風入爐。鼓風爐中剛熔煉完成的鐵材吸收了許多碳原子，於是熔點便降到攝氏一千二百度。金屬液化從爐底流出，沿著地面的溝渠，再注入一列鑄範。最終成品就是生鐵（pig iron，直譯為「豬鐵」）——起這個名字是由於，中世紀鑄造工匠認為，那一個個鑄範，看來就像一窩新生小豬依附著母豬吸奶。

這種含碳量高的鐵，熔點降低了，必要時可以重新熔解，像熱蠟一般倒入範中。因此鑄鐵工序變得非常便利，能快速鑄造出種種品項，如鍋子、管路或機械組件等，維多利亞時代的人，還製造出許多鑄鐵大梁。不過鑄鐵有一項嚴重缺陷：由於含碳量高，質地很脆，舉例來說，鑄鐵橋梁有個缺點，一旦結構元件受力彎折或拉伸，整座橋梁往往就會崩塌。

後來是一項革新發明，才真正使工業革命後期不斷發展下去，採這種做法，就能把鼓風爐所煉出的生鐵，輕鬆變換成鋼材。就碳含量而言，鋼的比例介於純熟鐵和酥脆的生鐵或鑄鐵（3–4％）之間，從約含0.2％碳，用來打造機器齒輪或結構鋼材的堅韌鋼料，到約含1.2％碳，用來打造滾珠軸承和車床切削工具的堅硬鋼料。所以你該怎樣脫除含碳生鐵？

貝塞麥煉鋼轉爐（Bessemer converter）是個梨狀巨桶，內襯耐火磚，安裝在支軸上，因此桶子可以傾倒。先熔融生鐵，注入容器，隨後從桶底幾個開孔把空氣打進桶內，和冒出氣泡的水族箱幫浦增氧機相似。額外的碳原子和氧反應，化為二氧化碳逸出，其他雜質也經氧化，合成熔渣後清出。這裡有個很幸運的現象，碳原子燃燒時會釋出充分熱量，讓鐵裡外都保持熔融狀態。

這時會遇上難題，因為熔煉時必須把碳原子成分幾乎全部去除，卻仍得留下將近百分之一，實際操作時，很難準確判斷。掌握最後成分的訣竅，要靠事後反溯法，先進行轉化，直到你有十足把握，肯定所有碳原子都已經去除，接著就把你想放回純鐵裡面的最後碳原子依比例混入。這種貝塞麥煉鋼法是史上頭一種廉價的大量煉鋼法，你最好是盡快蛙跳返回這個時間點。

如果你所知道的文明已經不存在了，你要如何在新世界活下去？跳過原始生活，利用知識再開啟明治維新、工業革命，而末日後的新文明，會是什麼樣的文明呢？來自科學家的末日狂想，形成一本事事未雨綢繆的科普之書。《最後一個知識人》，臉譜出版。