八爪博士前傳？M.I.T.開發背負式機械手臂

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

時年 26 歲^[1] 的 Caroline Dela Rose Nilsson 手腳被緊縛，^[2] 嘴巴堵塞著，神色極度焦慮，^[1]在自家的車道上呻吟。^{[3, 4]} 鄰居見狀快速通報警察。^[1]

事情發生在 2016 年 9 月 30 日，^[4] 晚間 10 點 10 分，^[1] 南澳阿德雷東北市郊的 Valley View 地區。^{[1, 3]} Caroline 的三個孩子當時在家，他們分別為 1、3 和 5 歲；^[2] 而她 57 歲的婆婆 Myrna Nilsson 早已被重擊致死，陳屍於洗衣間。^[5] 稍後，員警在屋裡的走廊找到眼神渙散，面容哀戚的男孩；他的兩個姊妹則是面部朝下，趴在床上哭泣。員警讓孩子們同自己坐在警車裡，但卻什麼也問不出來。^[5]

另一邊，當死者的兒子 Mark ，也就是 Caroline 的丈夫，得知母親死了。 Mark 詢問警方， Caroline 是否受傷，然後平靜地以實事求是的口吻說：「我不懂怎麼會有這種事情，您是說意外嗎？」由於警方不願意透漏細節，在完全不知道來龍去脈的情況下， Mark 又問是不是有人闖入家中。^[5][註1]

根據 Caroline 的說法，當天有 2、3 名開著皮卡車的男性，跟蹤她的婆婆 Myrna 回家。他們與 Myrna 在屋外爭執了約 20 分鐘，但殺害她的時候， Caroline 碰巧在關著門的廚房裡，所以什麼也沒聽到。^[1] 這幾個「看起來像粗工」的人，後來也攻擊 Caroline 。^{[2, 5]} 問題是，如果三個孩子徹頭徹尾都在屋裡，為何會安靜到沒被捲進來？

檢方拿 3 個孩子的頭髮樣本，去做藥物檢測，其中 2 個結果顯示有Tramadol殘留。^[2] 在澳洲屬於四級管制藥物的 Tramadol ，需要有處方籤才能取得，是一種會抑制呼吸且具有鎮定作用的止痛劑，一般不得施予 12 歲以下的兒童。^[6] 更啟人疑竇的是，屋裡既沒有外人入侵的 DNA 證據，附近的鄰居也沒注意到一輛皮卡車進出。^[7] 這令檢警不太採信 Caroline 的說辭。^[1]

此外，負債澳幣 4,000 元（時值約新臺幣 10 萬元）的 Caroline ，每半個月還得跟丈夫共同支付婆婆 Myrna 澳幣 1,000 元的房租。^[註2]相較之下，Myrna 經濟優渥，不僅擁有汽車，在澳洲和菲律賓置產，曾赴歐洲旅遊，還給年幼的孫子買車買房。Mark 是獨子，若 Myrna 過世，他們夫婦便可順勢繼承財產，謀財害命的動機充足。^[8]

檢警因此把 Caroline 列為頭號嫌疑犯，卻始終沒有以謀殺罪名逮捕她。直到 2018 年 3 月，他們取得關鍵證據。^[1]

Myrna Nilsson 慘遭殺害的時候，戴著一只蘋果智慧型手錶。^[1]

從智慧型手錶判讀死亡時間

Myrna 的智慧錶記錄到她人生末了的重要數據：她在返抵自家的 47 秒內開始遭受猛烈攻擊，^[4]其中有短短 39 秒的長度，出現 65 次倉皇的動作，然後她的心跳就停止了。時間約莫是傍晚 6 點 41、42 分。^{[2, 4]} 15 分鐘後， Caroline 用手機傳訊息給丈夫，還留下在臉書和 eBay 的使用紀錄。^[4] 從這個時間點到她的鄰居報案，中間相差三個小時。此情形讓 Caroline 的陳述顯得不合理，因而遭檢察官起訴。^[3]

從傳統手錶推測死亡時間

智慧型手錶進入人類生活已有一段時日，不過有些人仍然會戴其他類型的手錶。它們雖然不會追蹤使用者的生命徵象，但有時也能提供警方估計死亡時間的線索。以下是 2022 年《國際鑑識科學》（Forensic Science International）期刊，介紹的二個例子：

一名八旬老翁俯臥於公寓的地板上，毫無生命跡象。他最後一次被人看見還活著，已經是 5 天前的事情了，對縮小死亡時間範圍的幫助有限。死者左手戴著一只持續運作的自動機械錶，錶面顯示的時間準確無誤。此種手錶仰賴使用者手部的活動帶動發條。老翁戴的這款每次帶動之後，可以撐上 44 至 48 小時，而且它在警方展開調查後 18 小時才停止運轉。所以用 48 減掉 18 ，得知老翁或許在被發現前的 30 小時左右身亡。^[9]

期刊介紹的另一起案件，死者右手戴的是太陽能石英錶。某年12月在丹麥的沼澤，有個獵人撞見一具屍骨。當下右手骨頭上的錶還在走，不過時間快了 1 小時，而日期則晚了 3 天。該國的日光節約通常始於 3 月，終於 10 月，也就是說死者的手錶在 10 月之後，沒有被調回標準時間。至於少掉的 3 天，則是因為 6、9 和 11 月都只有 30 天。若未手動跳過 31 日，手錶的日期就會在這段期間，每個月各晚 1 天。由此推估，死者可能是在 5 月 1 日到 6 月 30 日之間身亡。^[9]

死亡時間與判決

死者配戴的各種手錶，留給警察辦案的線索。然而是否能破案，並將罪犯繩之以法，仍受到其他因素的影響。2016 年 Myrna Nilsson 被害身亡；2018 年她的媳婦 Caroline ，遭警方以智慧錶的紀錄為證據逮捕。^[1] 2020 年在 8 週的審理後，陪審團無法達成共識。 2021 年又經歷 6 週的法律攻防， Caroline 最後被無罪釋放。^[3] 而直至 2022 年的今天，警方仍未捕獲她口中，謀殺婆婆的那幾個粗工。

備註

1. 筆者找到的新聞資料，好像都沒有明確解釋，事發當下 Mark Nilsson 身在何處。
2. 有一篇報導說 Caroline 跟 Mark 給婆婆房租，一家三代同堂，她卻連自己的房間也沒有。Caroline 得跟兩個女兒睡；兒子則是和婆婆同寢。該文沒提到 Mark 睡哪。^[8]

參考資料

1. Rebecca Opie. (29 MAR 2018) ‘Smartwatch data helped police make arrest in Adelaide murder case, court hears’. ABC News.
2. Dillon M, Carter M. (13 DEC 2021) ‘Caroline Nilsson murder trial returns hung jury over death of mother-in-law captured on an Apple Watch’. ABC News.
3. Mahalia Carter. (26 OCT 2021) ‘Caroline Nilsson found not guilty of murdering mother-in-law after smart watch case retrial’. ABC News.
4. Kathryn Bermingham. (15 OCT 2020) ‘Prosecutors close case against woman charged with murdering her mother-in-law in 2016’. The Weekend Australian.
5. Mahalia Carter. (13 DEC 2021) ‘Alleged murder victim’s son was ‘matter-of-fact’ when told of death, court hears.’ ABC News.
6. ‘APO-Tramadol’. (01 March 2022) NPS MedicineWise
7. Rebecca Opie. (3 MAY 2018) ‘Son of alleged murder victim Myrna Nilsson urges court to release wife on bail’. ABC News.
8. Meagan Dillon. (13 DEC 2021) ‘Alleged killer Caroline Dela Rose Nilsson had ‘no motive’ to kill, despite financial pressures, court hears.’ ABC News.
9. Busch JR, Hansen SH. (2022) ‘The wristwatch – A supplemental tool for determining time of death’. Forensic Science International, 335, 111283.

• 上集連結：八爪博士4ni！？《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世？（上）

說明：此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫，經簡化之後，拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎？「核融合發電」有可能嗎？〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡？能源數據誰在膨風？〉兩部作品。又，本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋，而是想用最少的字數，讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時，此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關；這是三個完全不同的問題，核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同，無法一概而論。

核融合發電的最低要求

現實中，不管使用什麼方法進行核融合，都需要消耗大量的能量。如果產生的能量比消耗的能量還少、或者只大一點，那麼就沒有商業發電的價值。在討論核融合發電時，我們需要知道「融合能量增益因子」（Fusion energy gain factor）這個詞彙；它常用符號 Q 來表示，代表的是核融合反應爐產出的能量，和為讓反應爐運作所輸入能量的比值：

Q=P_fus/P_heat= 核融合反應爐產出的能量/為讓反應爐運作所輸入的能量

換句話說，如果 Q=1，表示核融合反應產出的能量，和輸入反應爐的能量相等，稱為損益平衡（breakeven）——當然，在這種狀況下，沒有多餘的能量能夠拿來發電。而且，再考慮到核融合反應產出的能量，並不可能全部都被收集並拿來維持反應爐的運作，一般認為，Q 的最低限度也要大於 5，才有機會收入與支出平衡。對核融合發電來說，Q 是越高越好，代表有更多比例的產出能量可作為發電之用，也是所有研究單位努力的目標。

核融合發電的現實

就 2022 年的現在來說，實際上還未有 Q 大於 1 的核融合反應爐出現。但我們確實會在科技新聞中，看到一些聲稱做出重大突破、輸出能量大於輸入能量的研究出現，這是怎麼回事呢？

原因之一是，有些單位在設計實驗的時候，因為許多考量，僅使用氘做燃料，而非目前主流核融合發電使用的氘氚混合燃料；而根據僅使用氘的實驗結果，就可以在理論上推估，若使用氘氚混合燃料可以達到的 Q 值。這樣子推估出來的數字，目前最高記錄是日本的 JT-60 實驗，得到 Q=1.25。

另外一種情形，則是對輸入能量的定義有所不同。舉例來說，2013 年，BBC 刊載報導，表示位於美國加州的國家點火設施，達到「核融合反應的里程碑」，「透過核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量——這是在世上所有的核融合設施中，第一次辦到。」然而，在該實驗中，雷射對裝有核融合燃料膠囊的金屬空腔標靶（稱為「環空器」，hohlraum），輸入了 1 百 80 萬焦耳的能量，最後僅產出約 1 萬 4 千焦耳的核融合能量；換算起來，Q 值為 0.0077。但是，根據計算，雷射輸入的能量當中，只有1萬焦耳真正在燃料膠囊的核心起作用，促成了核融合發生——從這個角度來說，也是一種「核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量」，但總有作弊之嫌。

目前，融合能量增益因子的最高紀錄，是由美國國家點火設施所創下，於 2021 年達到的 0.7，由 1 百 90 萬焦耳的雷射能量，獲得1百35萬焦耳的核融合能量。只是，這樣的計算方式仍然有個問題：若要產生具有 1 百 90 萬焦耳能量的雷射，我們事實上必須使用到遠超其上的能量——如果要拿來發電，這個能量消耗也是必須考慮進去的。

目前最受期待的核融合設施

在近未來之內，最接近商業發電的核融合設施，應屬位在法國南部的國際熱核融合實驗反應爐（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）。它是跨國出資、合作的核融合設施，成員包括歐盟、印度、日本、中華人民共和國、俄羅斯、韓國和美國，目前仍在建造中，預計於 2025 年開始進行初步電漿測試，並於 2035 年進行氘和氚的核融合實驗。

根據一般說法，ITER 產出能量的功率會達到 5 億瓦特，但只需要五千萬瓦特的能量輸入功率，亦即，融合能量增益因子 Q 會高達 10。這聽起來很不錯，似乎可以作為商業發電之用，或者至少很接近商業發電的目標了。是這樣嗎？

But，人生最重要就是這個 But，5 億瓦特的能量輸出功率，是指核融合反應釋出的能量，而非實際上能夠獲得的電力；有很大一部份比例的能量，都會在轉換成電力時漏失。同時，五千萬瓦特的能量輸入功率，也只是整間電廠營運需求的一部份——根據 ITER 的報告，運作整間電廠約需要 4 億 4 千萬瓦特的能量功率。換言之，儘管 ITER 應該會是近未來 Q 值最高、最成功的核融合設施，但距離商業發電，仍然有一段差距。這也是目前全球的科學家在努力克服的問題。

自己在家做出核融合反應爐？

儘管核融合發電於現實中仍存在許多問題。但是，我們卻也偶爾會看到，媒體大肆渲染，某某青少年在自家做出小型核融合反應爐的新聞，難道全球科學家都被不世出的天才青少年打臉了嗎？

這類所謂自製的核融合反應爐，大體來說，就是將氘氣引入真空容器內，再利用高電壓使其互撞，並在過程中藉由測得中子，推論核融合反應存在。然而，雖然核融合反應會產生中子，但測到中子並不表示就一定是核融合反應。高速的氘原子互撞，就算沒有成功融合，仍然可能經由其他作用產生中子

另一方面，就算真的有零星的核融合反應出現，其能量產出效率必定極低，輸入的能量遠大於輸出的能量。我們可以說，要人工地讓核融合反應發生，在現代並不是問題；如何讓輸出大於輸入，且持續穩定運作，才是主要的問題。

科學的進步與成功，事實上仰賴許多前人的鋪路，後人才能在前人的基礎上順利抵達終點。如果沒有知識的累積，就期待一蹴可及、出現某個天才打臉所有人，完成前無古人的成果，雖然很有戲劇性，但幾乎是不可能的事情，現代科學研究尤其更是如此。

我們是否將見證歷史性的一刻？

核融合作為未來可能的能源選項之一，無疑是值得研究的課題。過程中花費的金錢與人力縱然可觀，但天下沒有不勞而獲的事，總是要嘗試了，才會知道結果怎麼樣。人類的科學文明，就是這樣不斷地在諸多失敗和成功下，累積成現在的成果。

核融合研究，多年下來有著長足的進步，距離商業發電的目標越來越近。儘管目前看起來，核融合發電距離實用化，還有一段距離，而還要多久才能克服這最後一哩路，也很難說。但搞不好，或許數十年之內，我們就有機會目睹人類能源的歷史性突破。

參考資料

• 世界核能協會
• 2021世界核能產業現況報告
• World Nuclear Performance Report 2021 COP26 Edition
• 國際熱核融合實驗反應爐
• 國際原子能總署
• 馬克斯‧普朗克電漿物理學研究所
• JT-60U Experimental Report No. 46
• Muon-catalyzed fusion – Wikipedia
• Inertial confinement fusion – Wikipedia
• Magnetic confinement fusion – Wikipedia