運用科技來預防「致命的錯誤」

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

作者：Christopher Breggren，為都會攝影師、部落客兼攝影助理，現居紐約市。

美國身陷於眾多社會問題之中，例如肥胖與健康隱憂、交通堵塞與家庭相處時間減少、孤立的市中心等。我們必須反思這些現象從何而來，又該如何改變。去年夏天在歐洲居住三個月後，我確信其他美國民眾若前往其他國家，一定常驚嘆當地生活品質之高，尤其若對比仰賴汽車、毫無生氣的美國城市，差異更加顯著。美國社會之所以變得既依賴汽車又不健康，原因在於早期讓汽車主導城市發展，又缺乏維繫街車與單車文化的制衡機制，後者在一九三零年代之前，其實普遍存在於各個人口破萬的美國城市。阿姆斯特丹、哥本哈根等許多歐洲城市均已成為典範，以單車做為主要工具，重建城市交通均衡與永續。

單車的經濟效應與健康益處

丹麥由納稅人支持全民健保制度，再加上眾人皆知騎單車對健康有益，故健保機構大力鼓吹與投資單車建設。一項研究指出，成人若騎單車上下班，死亡率可降低三成。哥本哈根市政府估計，每年醫療成本可節省上億美元，還不包括勞工健康、提高產能對社會的助益，此外亦可減少道路維護費用與塞車情況。哥本哈根興建單車專用道時，平均每英里單側約200萬美元，五年後即可攤平成本；經濟衝擊研究估算，每騎乘單車一英里，社會淨收益為21美元，同樣距離若改為開車，淨虧損為12美元，這項數據包括公部門節約經費與增加私部門經濟活動。

單車通勤與都會永續

今日哥本哈根單車通勤族人口比全美總和還多，且單程平均距離為3.5英里。過去30年間，哥本哈根市逐漸減少汽車停車位與道路面積，做為單車建設空間；荷蘭單車文化盛行程度或許是全球之最，「荷蘭單車大使館」為公私合作機構，善用荷蘭著名的都會運輸模式，因應全球都市化趨勢與城市振興需求，向世界各大企業與政府領袖推廣都市行動力精神，以及宣傳永續原則對運輸解決方案的重要性。荷蘭社會親身體驗到單車對社會的種種好處，包括居民更健康、城市更適合居住、道路更安全、空氣更清新、交通更順暢、社會交流更頻繁、經濟更活絡。

單車是可行交通方式

美國若希望依循法規興建基礎設施，讓單車成為可行的交通方式，必須將單車騎士視為一般民眾，而非次文化的一部分。丹麥顧問公司Copenhagenize時常建議其他城市，如何透過行為及行銷活動，為單車及都市行動力創造正面形象，他們主張藉由建立「完全街道」，讓城市更適合居住，美國有個非政府組織也以「完全街道」為名，為美國城市帶來些許進步。

改善都市紋理、重建市區活力

城市所獲的州政府與聯邦政府經費持續萎縮，街上不見人潮，何處安置新人口也成問題，故領導人必須尋找永續發展模式，但其實只要觀察阿姆斯特丹與哥本哈根的熱門觀光景點，即可找到高價值方案。兩地和許多美國城市相同，可發展的腹地面積有限，美國有些城市縱然幅員廣闊，可是若要維繫長期活動，唯有集中發展現有區域。今日單身民眾與年輕家庭希望城市生活更具意義，能夠在安全的市區街道上步行或騎單車，也鄰近商家、娛樂及都會設施。從荷蘭經驗可見，城市裡若設有適當及廣泛的路徑，許多人其實願意培養騎單車習慣；光是單車，便足以開啟美國智慧成長之門，也不必犧牲人們對汽車的迷戀。

本文其他語言版本： 英語

轉載自This Big City 城事

作者：Drew Reed（網路媒體製作人兼社區運動人士，專注於永續運輸，現居阿根廷首都）

過去我很難涉足舊金山，因為生於南加州，我代表著舊金山民眾很難忍受的幾件事，例如溫室氣體、中央高速公路、未設分類垃圾桶的咖啡店等，不過近期相較於南加州的呆瓜，Google公車更讓他們覺得刺眼。

這幾年來，網路公司Google分階段引進豪華巴士服務，方便旗下年輕、時髦的程式設計師從舊金山住家前往總部上班，Facebook、Apple等矽谷企業也陸續跟進。

這些巴士與公營MUNI的灰褐色公車完全不同，除了車身既高大又潔白，還佩備遮光玻璃、柔軟座椅、行動無線網路，卻與舊金山經濟困境形成強烈對比，引來各方批判。批評者不滿這些巴士占據許多空間，也常長時間停在一般公車站前，更象徵當地貧富差距不斷擴大。

類似情緒蘊釀多時，終於在去年底引爆，舊金山民眾群起抗議，更抬棺擋住一輛Google巴士，棺材兩側寫著「平價住宅」字樣；而在同樣受影響的歐克蘭地區，抗議群眾更進一步，拿石塊砸破Google巴士窗戶。

因為Google巴士轉移多數舊金山民眾的目光，讓我找到前往當地的絕佳時機，我一抵達市區，才剛走出Mission區的捷運站，就見到一輛往南方行駛的Google巴士。

我向北走在Valencia街時，決定走進路過的一家書店，是棟非常典型的舊金山百年建築，天花板挑高，還有兩層貌似維多利亞風格的公寓，門前陳列著新舊書籍，入口上方掛著一輛單車，店名也很特別：摺角書店。

我隨口詢問收銀員，對Google巴士何看法，她的陽光態度頓時黯淡，沉默了一會，開口時面無表情，「他們正在摧毀城市，讓一般民眾更難住在此處」，不過她也承認，市民面對的危險絕不僅止於此，「舊金山一向都很繁忙，許多人都對Google巴士不滿，但我不會讓此事影響生活，還是每天騎單車上下班」。

儘管許多人心有同感，若將舊金山房價上揚的責任，全都歸咎於Google巴士，似乎也不盡公允，雖然加州大學柏克萊分校一位前研究生的論文指出，Google公車站與高房價之間確實為正相關，但還有許多其他因素。此外，Google巴士也有正面效益，包括減少高速公路車流量、降低碳排放量、改善塞車問題，或許也由此可見，舊金山在大眾運輸方面多麼先進，即使搭乘公車，仍然顯得不夠進步。

目前當地已有若干解決方案，官員提議向Google巴士收取每個公車站一美元費用（反對者認為金額太低）；Google增加往來公司的渡輪，而且渡輪上當然也提供無線網路訊號。

不過此事核心問題不僅攸關舊金山，也涉及整個灣區，舊金山人口約82.5萬，在灣區710萬居民僅占11.5%，但Google與Facebook的員工人數卻高度集中於舊金山（以及歐克蘭），因此足以建立巴士路線。喜劇演員Emily Heller在《舊金山週報》的一篇文章，或許最能道出問題重點：「我和許多灣區居民一樣，出外旅行時，都自稱住在舊金山，但其實我從小生長在阿拉梅達地區一間美麗的老房子內；自稱住在舊金山並非為了便宜行事…阿拉梅達因為位置鄰近又無趣，因此總活在舊金山的陰影中」。換言之，在灣區工作的民眾心目中，舊金山是居住地首選。

原因在於舊金山受盛名所累，一九五零年代時，多數美國城市紛紛放棄街車，也夷平社區改建高速公路，但舊金山保留數條重要街車路線（今日由市政單位經營），並且阻止高速公路肆無忌憚地發展。今日舊金山已成都市規劃政策典範，受到規劃界人士青睞，然而灣區其他城市卻沒這麼幸運，例如海瓦德、弗利蒙特、康科德等地均深受人口擴張政策影響，發展歷程更近似於洛杉磯等美國大城。

富裕的Google員工不願住在灣區其他郊區，紛紛湧入舊金山，其實正是世界各地許多規劃人員希望透過政策達成的目標，但這種現象也是個警訊，儘管步行建設、無障礙環境、公共空間等都市規劃原則都有助打造社區活力，將左右城市成敗，可是這些社區不能專屬於少數富有族群。當11%的人口居住在規劃完善的城市，而其他民眾居住地深受人口擴張政策影響，就會發生目前情況，Google巴士只是反映出大眾多麼渴望社區充滿活力。

摺頁書店為舊金山相關書籍設置專區，包括馬克吐溫與已故記者凱因（Herb Caen）的引言錄、希區考克在舊金山拍攝多部電影的攝影集，也有不少近期著作，例如卡米亞（Gary Kamiya）的《舊金山的49個風景》。其中有本書格外吸引我：《無盡城市：舊金山地圖集》，由土生土長的舊金山居民索尼（Rebecca Solnit）彙編而成，她曾獲獎無數，大概足以放滿整家書店；書中詳細且近距離地重新想像舊金山許多社區，也歌頌許多居民在此生活的軌跡。

這本書內容出於對城市的熱愛，但卻很難複製到許多消沉的灣區城市，且舊金山部分元素也難在附近其他城市重現，例如歷史、高低起伏的山丘、大橋的壯麗景色、時常繚繞橋邊的雲霧等。不過在舊金山的成功經驗中，也有些規劃元素能夠沿用至他處，例如適合步行的社區、便利的轉運系統、為數眾多的公園等，若能應用在其他灣區城市，應可分散Google巴士希望服務的通勤需求。

要將舊金山的成功經驗拓展到其他灣區城市並不容易，得投入數十年間，且其他城市的政治文化若與舊金山大不相同，又欠缺大眾支持，將會更加困難，不過從Google巴士爭議中，更可看出良好規劃對於各地多麼重要，絕不僅限於單一城市的都會區。

若期望海瓦德、康科德等地能吸引世界級人才前來，如馬克吐溫、希區考克等人，或許只是奢求，但若規劃妥當，這些城市有朝一日也能建立鮮明的都市社區文化，支持如摺頁書店的商家生存，或許也能吸引部分富有的Google員工移居，不過在此之前，Google巴士還是會繼續橫行舊金山街頭，也讓南加州居民如我造訪時，心情更加輕鬆。

本文其他語言版本： 英語

轉載自This Big City 城事

通勤生活，在現代社會已成為生活必須，然而平日習以為常的一切，卻可能被突如其來的天災影響。在台灣，經常被形容「不堪一擊」的蘇花高與中橫，豪雨的阻斷往往會打擊到東部觀光業。而世界各地都有類似前例：2013年9月，日本關東地區出現氣候異常現象，連日的大雨造成多處淹水，甚至波及以準時聞名的東京地鐵，因雷電影響而造成罕見的連續誤點；遠在南美洲，智利火山灰前年的大規模飄散，就已經讓阿根廷甚至澳洲等地的大批航班取消，不僅打亂旅客行程，也造成航空公司嚴重的經濟損失。

我們經常為天然災害提早防範，但人為疏失或許才是經常被忽略的隱性危機。最近一件引發關注的大眾交通事故出現於2013年12月1日，紐約的「大都會北方鐵路」（Metro-North Commuter Railroad Company）發生火車出軌意外，八節中的六節車廂在大轉彎時脫離軌道，造成四人死亡、六十多人受傷的慘劇。駕駛表示當時他正在打嗑睡，直到列車脫軌後五秒才開始剎車。「大都會北方鐵路」是往返於紐約中央車站與康乃狄克州的通勤鐵路，這是該公司自1982年營運以來首次發生致命車禍。

摩菲定理(Murphy’s Law)指的就是「凡是可能會出錯的事，必定會出錯。」因此諸如此類的交通事故可能永無止息的一天。但是我們若將其視為面對天然災害一般，利用縝密的事前準備、新的發明科技，或許能在不久的將來幫助我們防患於未然、降低事故發生的可能性。

機場跑道狀態燈（Runway status lights）

雖說飛機的任務是翱翔於天際，但許多致命意外卻是發生在地面跑道。美國國家運輸安全委員會（National Transportation Safety Board，NTSB）指出，2006年在肯塔基州萊辛頓市的機場，正是由於駕駛以錯誤跑道起飛而造成49人死亡；2008年在全美面積最大的丹佛國際機場（Denver International Airport），一架飛機正要飛離跑道時突然起火，造成數十位乘客與機組人員受傷。

如果在機場滑行道的地面安裝「跑道狀態燈」，可以同時告知飛行員和停機坪的地勤人員跑道的安全性，避免上述悲劇重演。就像平常十字路口的交通號誌與紅綠燈一樣，能適時更改號誌顏色與安全資訊以供識別，只不過飛機的狀況較為複雜，需要特殊演算法來進行號誌管理，因此目前尚未普及，但是美國聯邦航空總署（Federal Aviation Administration， FAA）已經打算在2017年之前為全美17座機場安裝此系統。

主動列車控制系統（Positive train control，PTC）

鐵路與航空一樣深受信任，但駕駛們一瞬間的疲勞、渙散、分心等人為因素，往往是釀成巨災的原因。2008年加州查茨沃斯（Chatsworth）的一起25人死亡車禍，僅僅是因為列車操作員低頭看了一下手機簡訊，而沒看到一閃而過的紅色指示燈。

一般簡稱為PTC的「主動列車控制系統｣，在進入車站或是急轉彎等關鍵路段時，能適時抹消人為的錯誤操作，取代駕駛員而拿回主控權。PTC仰賴無線訊號如GPS（Global Positioning System，全球衛星定位系統）、列車內建電腦與制動系統，以此來感知列車位置、協調車距、控制岔道與傳送速度資訊。

美國的「鐵路安全改善法案」（Rail Safety Improvement Act，RSIA）要求包括「大都會北方鐵路」在內的各大鐵路公司在2015年以前裝設PTC系統，但該法案並沒有提供財務支援，使得鐵路公司的投資無法涵蓋其經濟效益而引起反彈，至今兩方仍在協調當中。

公路汽車防撞科技（Vehicle collision avoidance technologies）

美國國家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）指出，大約28%的公路意外屬於「追尾碰撞｣（rear-end collisions）、23%是車子自行駛離道路造成。如果某些科技能幫助人們注意這兩種情況，就有可能避免一半以上的車禍。

美國國家運輸安全委員會（National Transportation Safety Board，NTSB）為行車安全科技列出了建議名單，像是限速技術（speed-limiting technology）、車道偏離預警系統（lane-departure warning systems）、輪胎壓力監測技術（tire-pressure–monitoring technologies）、前向碰撞預警系統（forward-collision–warning systems）、自動巡航控制系統（adaptive cruise control）、自動剎車和電子穩定控制系統（automatic braking and electronic stability control systems）等。現在的許多汽車已經備有以上安全裝置，讓駕駛人更有保障。

旅客的生命是交通運輸這一行最珍視的價值，造型、速度與舒適度皆在其次，而日新月異的運輸防災科技正是保護我們在上學與上班途中免於煩惱的隱形幫手。（本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」 執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！