高速攝影！記錄每秒4.4兆次的感動

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

1874 年 10 月 17 日，劇評家拉金斯 (Major Larkyns) 走到平常玩牌的俱樂部門口時，一個人影擋在他面前。他警覺地問道：「你是誰？」人影冷冷地回答：「我叫邁布里奇，這是我老婆給你的回覆。」說完舉起槍朝他的胸膛開槍，拉金斯倒地不起。邁布里奇怔怔望著地上這個讓他戴綠帽的男人，直到警察前來逮捕。

俯首認罪的邁布里奇原本已準備接受法律制裁，沒想到企業大亨史丹佛（Leland Stanford, 沒錯，就是他創立了史丹佛大學）竟找了三位舊金山最厲害的律師來幫他辯護。律師與他討論辯護策略時，順便帶來一則口信：「史丹佛先生還等著你完成兩年前委託你的任務哪！」

邁布里奇沒有忘記。兩年前他已是小有名氣的攝影家，因此史丹佛找他去時，他原本以為是要幫他個人或家族成員拍肖像照，不料史丹佛開口竟然問了一個讓他丈二金剛摸不著頭腦的問題：「馬在奔跑時，四隻腳會同時離地嗎？」

他怎麼會知道？也不會有人知道吧；馬跑那麼快，根本不可能看得清楚。史丹佛先生說他相信答案是肯定的，希望邁布里奇幫他證實這一點。他可以提供賽馬和所需的資金，邁布里奇只要發揮他的攝影技術就行了。

史丹佛先生也未免想得太簡單了！一來底片曝光需要時間，再則每次拍完就得抽換底片，哪可能清楚拍到馬騰空的瞬間？但在史丹佛的堅持下，加上他自己也頗有興趣挑戰，他還是答應了。如今他身陷囹圄，又罪證確鑿，史丹佛先生真的相信他還有機會完成這項任務？

四個月後，陪審團接受邁布里奇是因為之前腦部意外受傷而性情丕變，害怕失去妻子才憤殺姦夫，算是正當防衛故予以無罪釋放。邁布里奇也開始著手改進相機的快門速度與底片上的感光劑，終於在 1878 年 6 月 15 日這一天，他用了 24 台相機，間隔 69 公分沿著跑道排成一列；跑道另一側則豎起標了距離的布幕作為背景；每台相機的快門綁上細線拉到跑道上由馬腳觸動，而成功拍下馬奔跑的分解動作，證實馬的四隻腿往內縮時同時離開地面──而非一般人所以為的在四肢伸展時離地。

邁布里奇完成了史上首次的高速攝影，之後還幫賓州大學拍了超過十萬張的相片，分析人類與各種動物的動作。高速攝影與顯微鏡分別在時間與空間上讓人眼得以突破生理上的限制，使我們大開眼界，更能看清萬物的本質，可說是科學史上相互輝映的重要發明。

邁布里奇也是定格動畫的鼻祖。他發明了環狀的「跑馬燈」(Zoopraxiscope)，放上馬奔跑的定格相片，旋轉之後就會宛如看到馬在奔跑的影片（這應該就是跑馬燈這名稱的由來），而成為電影放映機的原型。

從英國移民來美國，在一次騾車意外中頭部受傷返回英國休養而學會攝影，因此回到美國後從書商轉為攝影家，又從殺人犯變成重要的發明家。邁布里奇戲劇化的人生完全就像一部電影呢！

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。

三維的立體影像重在很多地方都有應用，像是模型的重建，物體大小或是物體表面量測等。各種的非接觸的方法雖然都已經發展很久，但是這些方法常常要依賴特殊的構造（雷射光點，多台攝影機等）常常不能高速的捕捉立體動態。

這影片介紹一種方式，利用投影機投影出有結構的圖案，再利用高速攝影機拍攝下來。投影出的圖形在不同曲度的表面上會產生變形，而這些變形就可以提供利用三角量測測距方法的基準，然後經由分析影像計算出每一點的距離。這樣的方式只需要一台投影機與一台攝影機，大幅減少了裝置上的難度。如果使用了高速攝影機，理論上就可以得到用超高速的立體影像，這在科學研究上有非常大的幫助，另外，同樣的方法也可以把圖型投影在顯微鏡下的物體上，這樣就同樣可以做出可以量測微小起伏的裝置！（類似的技術可以參考結構照明）

轉載自 科學影像 Scimage