【2014智活星期二】羅日生：3D列印輔助設計教學成果分享

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

紀錄：羅紹桀

「我們希望在教學過程當中不要讓學生只是在教室裡空想一個不切實際的題目，然後做出一個不合時宜的東西，但經不起市場與商業模式的考驗，所以我們的課程設計希望讓學生深入場域去與場域的內容結合」

吳育龍老師認為，現在的學生很習慣於處在真實的教室裡，但同時心理處於虛擬的網路，這是現在人類天生的技能與生活方式，我們希望去結合虛擬與現實，做出一個展演的互動，今天他將與我們分享他實際帶領學生深入場域的例子。

吳育龍：虛實混和的未來世界

數位與文化交融─大甲媽祖文物館與西川社區古婚禮的例子

吳老師帶領學生進行的第一個案子就是大甲金華山媽祖文物館，它是坐落於台中的一個很有名的文物館，號稱是全世界收藏媽祖文物最豐富的博物館，但問題是其原本的場域設計並不太引人入勝，所以吳老師與學生組成的團隊希望能讓它變得更加有趣，怎麼做呢？

學生以媽祖為主題，做出一套體感遊戲「保庇之心」，玩家利用左右手扮演千里眼和順風耳，跟著媽祖幫助海上的漁船安全回航，所謂的分數以「福報」來隱喻，當海怪過多「殺不完」時還可以「放大絕」，當時展覽從原本的空無一人到小朋友必須排隊才能玩到體感遊戲。

另外，利用館藏收藏的媽祖生平畫作共五十幅作品，做成動畫呈現，原本只做了六幅，但館方看了之後相當滿意，便與該組六名同學產學合作，完成五十幅畫的動畫。

另一組的作品「禪想」，概念就是把宗教中打坐的「靜」轉換成虛擬世界的養分，如果你在這個體感遊戲中坐著不動，虛擬世界的樹就會成長，並生出蝴蝶；一組利用動態拼貼的技術創作出「眾生相」，利用現場參觀的民眾留下的影像拼貼成媽祖頭像。

吳老師接著與我們分享另一個主題，是西川社區的古婚禮，學生同樣利用科技將古婚禮文化作包裝，一組學生作品「創造未來」利用照片拼貼機的技術，讓來訪的民眾拍攝之後套上老化效果，象徵長長久久，並可以Email傳送收藏；另一組學生設計了一個多用途的繡球花，可以讓花童戴在頭上作為一個發光的帽子，但帽子反過來就變成ㄧ個提袋，如果放在桌上就變成燈飾；還有一組學生包裝了傳統的禮俗「奉茶儀式」，把平板電腦包裝成「茶盤」當你把茶放在茶盤上，就會出現各種新人出嫁時的心情分享。

數位與教育的結合─食物鏈怪獸卡計畫

最後吳老師與我們分享他目前還在進行的科技部專案，希望能透過新的方式讓學生在學習時更有趣，希望學生在玩中學習，吳老師的團隊改編國小課綱的食物鏈概念製作成ＡＲ實境的戰鬥卡牌，以食物鏈的上下關係製成「怪獸卡」，並融合各種物種的「習性」成為「技能卡」，小朋友如果要贏，就必須先把知識記憶下來。

吳老師今年希望能推廣成為免費教具，希望學生能在玩的過程中學習。

【關於智活星期二】

智活星期二是Pansci與CRE@TAIWAN智活聯盟共同舉辦的小規模聚會，旨在推廣「智慧科技導入常民生活」的教學理念與社會實踐，活動的主要形式是找三、四位各大專院校不同領域的講者針對同一主題，各自在15分鐘內與大家分享自己的教學方法論與實踐經驗，並讓所有人都能參與討論，推廣智慧生活與創新服務。

記錄：羅紹桀

許倍銜老師來自交大建築研究所，上學期開了一門「創新公共文化場所創造」課程，希望看待一個公共空間並為它進行「改造」，修課的同學以大學部為大宗、有各領域的大學生參與。

許倍銜：創意服務與場所改造

設計只是開口，環境是「活的」

這堂課為了讓學生實際操作，以公共場所來作為一個範圍。

為什麼選擇公共場域呢？我們整天的生活都在接觸各種不同的環境，這些環境都具備一個特徵，他們是「活的」。他們並不是靜態抽象的概念，包含許多的「事件」和不同的「元素」，它可能損壞，也可能出現新的需求以至於我們必須去更新它。

環境一直在變動，所以它是「活的」。

因此我們在設計一個環境的時候，要知道建築物會根據時間的演進產生變化，我們沒有辦法「設計它的結果」只能「設計它的開口」。什麼意思呢？因為環境成形之後，會因為人的使用，時間的推移持續地變化，所以結果是「一開始的空間＋再演進的空間＋人的活動」形成「場所」的概念，所以設計時要瞭解，人的需求是會變化的、環境也是會變化的。

許老師舉了個國外停車場的例子，有一個停車場一開始「故意」不放停車格，看人們怎麼停，找人做記錄，規劃出人們停車的習慣，接著在依照記錄來設計停車格，這個案例告訴我們，環境的設計可以分階段做，不一定要一次做完。

當然像都市這麼大的尺度，這麼大的範圍，很多事情不是一次到位，以台北來說，最近一些文化園區慢慢加進來，就是一個「滲透」的概念，你設計幾個大的點，然後慢慢擴散出去。

服務設計改造計畫

但大的改造有難度與經費的問題，一般的民眾能做些什麼呢？就回到了我們的課堂在想的事情，如果能在學校裡做某些練習，希望能讓同學真的做些大規模的改造，例如公共空間裡的物件，這些物件單點之間產生的累積和連結將對公共空間產生影響，這就是老師這門課希望去做的。

林老師認為，要改造一個場域最重要的是「設計」「空間」「科技」三大要素。

林老師的課堂上採用了服務設計（Service Design）的概念，意味著用一個有系統的方法來觀察問題，並提出創意的解決方案。

在服務設計的階段中，有五個階段：

Step1：尋找問題

Step2：提出解決

Step3：創新方案

Step4：情境設計

Step5：服務藍圖

在前置工作的練習中，學生實際在學校進行調查，並以「角色扮演」的方式，一個人扮演使用者，一個人負責觀察問題，並提出解決方案，最後分成六組，各組的主題發想分別是「車棚e卡通」、「Idea Sharing board」、「歡樂烤肉區」、「校園智慧公車站」、「ＣＴ Bike校園景點探索」和「校園及時資訊分享」

潛力無上限，科技速成教學！

他們開始去觀察實體現況，並找出問題、從現況作分析，例如以烤肉區為例，下雨天不能使用該怎麼讓它變成可以？如何讓回收變得更便利？

接著進入設計階段，要把科技的想法與技術加入，由於大部分的學生沒有技術背景，課程中只用了一節課，教授兩個技術「makey makey」和 「Scratch」兩個相對易於上手的互動裝置，並實際應用，之後還加入了「Arduino」的應用，這些沒有相關背景的學生也竟然都能快速上手。（或許20小時理論又要再縮短成兩小時了ＸＤ）

【關於智活星期二】

智活星期二是Pansci與CRE@TAIWAN智活聯盟共同舉辦的小規模聚會，旨在推廣「智慧科技導入常民生活」的教學理念與社會實踐，活動的主要形式是找三、四位各大專院校不同領域的講者針對同一主題，各自在15分鐘內與大家分享自己的教學方法論與實踐經驗，並讓所有人都能參與討論，推廣智慧生活與創新服務。