七根手指～讓你單手做更多事！

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

旋鈕多大才好轉？誰知道啊！

有些問題是生活中不斷遇到，卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度，還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時，指尖所操控的旋鈕該做多大，才是最好轉的呢？

「誰知道啊！」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道，但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點，甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎！

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦，表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎，頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授，以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量，松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時，如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

當我們看見一顆旋鈕，我們會透過目測其大小，來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕，我們會選擇只用拇指和食指來操作，更多的手指只會徒增不便；但如果是快十公分的大旋鈕，就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好，而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外，通常看到旋鈕就直接給它轉下去了，不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說，這個決策過程從小多次練習後，已經完全變成下意識的過程，只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇，只有做實驗才知道

在實驗室中，松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕，並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕，並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分，總共 45 種。結果顯示，當旋鈕越大，動用的手指數量越多（一如預期）。只要旋鈕直徑超過五公分，大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果，松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線，所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線，以利進行比較。上方的四條曲線，由左到右分別是食指到小指的位置，虛線則是統計標準差（當然，實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點，這裡簡單地用二次曲線進行擬合，比較好看）。

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下，人們手指位置如何變化。有趣的是，隨著旋鈕變大，四根手指的位置並非簡單地輻射向外，而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑，每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表，時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎，但是包括松崎教授在內的所有獲獎者，可是從來沒有要搞笑，而是以非常專業的態度在做他們的工作，這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後，松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把，可說是精通抓握之道的男人。

松崎教授表示，他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係，並藉此創造最舒適的使用體驗，打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究，請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.

蝴蝶的美，源於牠們擁有的千變萬色的翅膀，這些色彩是門面，也是保護傘，鮮豔顯目派警戒掠食者別靠近！小心牠們有毒（即便有些蝶其實没毒 XD）；擬態派能巧妙地偽裝成自然環境中的枯葉、樹木等騙過掠食者的眼睛，或是如猛禽眼睛樣貌的翅膀，嚇唬掠食者。多數蝴蝶們視顏色為性命，但對玻璃翼蝶來說……就是不給顏色瞧瞧，幾近透明如玻璃的翅膀，即使飛行也如穿上一層隱形罩袍，讓大家都難以察覺牠的存在。究竟，這個蝶界的「小透明」是如何成長？又何以成為科學家們研發新型抗反射材料的重要靈感？Let’s check it out !

玻璃翼蝶的成長日誌

玻璃翼蝶，又名寬紋黑脈綃蝶（學名：Greta oto，俗稱透翅蝶），屬於鳳蝶總科的蛺蝶科（Nymphalidae），主要分布在中南美洲的雨林及山區。牠們的卵殼型態非常多變，有些如珍珠般光滑透亮，有些點綴上小撮鱗毛，有些具有雕刻般的紋路。

幼蟲時，牠們主要吃的是夜香樹屬的植物，這類植物含有具毒性的生物鹼，且能夠存儲於幼蟲體內，當有些鳥兒吃了他們，輕則拉肚子，重則中毒身亡。玻璃翼蝶向來與眾不同，即便同屬鱗翅目（Lepidoptera），他們卻不與其他蝶一般擁有鱗翅目的招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛，取而代之的是光滑剔透如玻璃般的翅膀，而成蟲的牠們一樣喜愛吃「毒」口味的食物，例如菊科（含生物鹼 （pyrrolizidine alkaloids））、馬纓丹屬植物，讓掠食者們敬而遠之。

隱形翅膀的誕生

玻璃翼蝶是如何生成如此獨特的翅膀呢？帕特爾（Nipam H. Patel）和他的同事們首度將玻璃翼蝶詳細的成長時間序公開於《實驗生物學期刊》（Journal of Experimental Biology），他們分別在其成蛹不同時間點（16, 30, 48, 60 hr）進行解剖，並觀察其生成翅膀型態的變化（如圖一）。

• 成蛹 16 小時

起初牠們與其他鱗翅目物種一樣，蛹翅由一層輕薄、勻稱的上皮組織組成，接著許多表皮細胞已分化為平行排列的感覺器官前細胞（Sensory Organ Precursor cells , 以下簡稱 SOP 細胞）。在翅膀生成前期，帕特爾等人發現翅膀透明區域與非透明區域相比，具有較低密度的 SOP 細胞，因此他們猜測，玻璃翼蝶翅膀上形成透明區域及非透明區域的關鍵點就在於 SOP 細胞密度的差異，導致兩個區域的 SOP 細胞日後受到不同的調節，進而影響成體翅膀上兩區域的鱗片密度和表面翼膜分布具有極端的差異。

• 成蛹 30 小時

此時玻璃翼蝶身上的 SOP 細胞開始分化成為鱗狀細胞（scale cells）及似人類的神經膠質細胞的界面上皮細胞（socket cells），鱗狀細胞主要位於翅膀內部，而界面上皮細胞肌動主要負責連接每個鱗狀細胞，並位於翅膀較為表層的位置。此外，他們透過染色技術發現翅膀上開始出現由肌動蛋白組成的小圓柱狀增生鱗片，而這群增生鱗片甚至長到超出翅膀表面。這個階段的透明翼區域鱗片細胞型態跟不透明區域的未分化鱗片細胞一樣，像極了一個個被吹成橢圓狀的氣球。

• 成蛹 48 小時

鱗狀細胞開始延展並擴散生長，這時候透明翼區和非透明翼區要開始分道揚鑣了！非透明翼區（尤其是翅膀周圍有顏色的分界線）有很粗的肌動蛋白束，鱗片細胞呈圓扁狀；而透明翼區的鱗狀細胞開始向上延伸，並產生兩種型態（短小倒三角狀及狹長鬃毛狀）的細胞交替分布於其中。

• 成蛹 60 小時

透明翼區的短小倒三角鱗狀細胞們的兩個角角開始伸出「觸鬚」，形成兩個似觸角型的細胞並開始延伸生長，而長鬃毛鱗狀細胞的長度早已生長至一定長度，甚至還長到彎曲。非透明翼區的鱗狀細胞則會再長得更長、更寬、更平坦（葉狀），並在尖端處形成鋸齒狀。

我們之所以能看到非透明物體具有色彩，是由於物體會吸收部分光線，並將其他光線反射入我們的眼睛。反射程度主要取決於生物組織和環境介質之間的折射率差異，差異越大，表面反射越高。以會呈現透明的水生生物為反例，因為其組織與周遭環境（水）的折射率相近，因此他們就能施展「隱身術」。但是呢！在陸地上，要隱身可難囉～因為陸地生物組織的折射率（n＝～1.3-1.5）和空氣（n＝1）的折射率差異很大，所以易產生極大的表面反射。

有色翅膀的蝴蝶擁有於一排排扁平、重疊的鱗片，每個鱗片都可以通過色素沉澱產生顏色，並與光於奈米結構層級上進行交互作用，產生所謂的「結構色（structural coloration）」，選擇性吸收特定波長的光，且使光發生散射、漫反射、衍射或干涉而產生各式炫麗色彩。相反地，像透明翼蝶與部分蛾類的翅膀之所以會呈現透明，讓光線穿透，並能夠從透明翅膀區域看見他們身後的物體，關鍵在於他們只含有一層幾丁質膜（chitin membrane，也稱甲殼質），這層膜並不會明顯地吸收或反射光線，因此光線能輕易透射這層膜。

仿生靈感：抗反射材料的誕生

然而，幾丁質膜的加持還不夠，因為幾丁質本身具高折射率（n=1.56），因此即便透明，還是會有反射光。為此，透明翼蝶的翅膀發展出一款新型態的「抗反射構造」，造就此構造的三大功臣：微小且垂直稀疏的鱗片、幾丁質組成的奈米柱、蠟質層。垂直的鱗片能順著光線移動，使光線更容易致穿透翅膀；奈米柱使翅膀顯得凹凸不平，不但能減少因相同角度反射所產生的眩光，還能使光線呈現漫反射的效果；可是，透過電子顯微鏡的觀察，科學家們發現透明翼蝶的透明翼區的漫反射率僅約 2 % （空氣與翅膀介面的比率），後來他們查出這是翅膀表面覆蓋蠟質層的功勞，蠟質層似緩衝膠，因為比空氣密度大，能緩衝光線穿透翅膀的速度，還能大幅減緩光線照射鱗片所產生的眩光，若去除透明翼區的奈米柱及蠟質層，則會使反射率提升 2.5 倍，使翅膀受光照而閃亮。

這項驚人的發現不只有帕特爾等人注意到，卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）的研究團隊也曾於 2015 年在《自然通訊》（Nature Communications）期刊發表，玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射，並透過蝕刻沈積技術（etching techniques）製造了仿透明蝶翅的塗層，厚度僅 500 奈米，且具有防水及自潔功能。

雖然目前研究處於測試階段，但在未來可望將這類新型塗層應用於防眩光的眼鏡鏡片、相機鏡頭、3C 產品的螢幕上，還能用於太陽能板以提升太陽能轉換效率，甚至軍事領域能發展出「隱形效果」的武器或裝備，這就是透明翼蝶帶來的重大效應。

結語

來自杜克大學的生物學家桑克‧強森（Sonke Johnsen）曾指出儘管許多具透明性質的物種都在身體結構上演化出奈米柱，但蠟質層倒是個令人費解的新發現，蝴蝶的幾丁質覆蓋層是個牢固的結構，為何還要加上蠟質層削弱其堅固度呢？因此他認為這個問題的解答或許會發掘出更多酷東西！不過一想到能在大太陽底下使用仿透明翼蝶的仿生手機，不再受惱人的反光所擾，這個對重度使用 3C 產品的捧由們已經是件很酷的事了！

參考資料

1. See through the Glasswing Butterfly’s Fascinating Wings
2. New images clarify how glasswing butterflies make their wings transparent
3. Developmental, cellular and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies
4. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly
5. How glasswing butterflies grow their invisible wings
6. 抗反射塗層 仿透明蝶翼
7. 科技大觀園：抗反射表面塗層仿生透明蝶翅
8. 求真百科：玻璃翼蝶
9. 寬紋黑脈綃蝶:形態特徵,棲息環境,生活習性,分布範圍,繁殖方式,種群現狀,保護級別
10. MPlus | 隱形的翅膀：玻璃蝴蝶的透明演化之謎