看過三個傻瓜(3 Idiots)的朋友應該有注意到，裡面有一台不同傳統形式的直昇機，是利用四個同時旋轉的葉片來飛行。這種直昇機稱為quadrotor helicopter。相對於傳統的直昇機有不少優點，其中最重要的是把任何這台飛機該有的運動自由度都轉換成四個馬達的轉速，不需要額外的機械仰角控制，所以只要知道該怎麼控制這四個馬達就可以做出很多特殊的動作。
這樣飛機的設計上的重點就由機械設計變成了電腦控制系統為主，以目前的資訊技術跟過剩的運算能力而言，幾乎任何可以做的運動都應該可以經由計算來產生動作出來，實際上也就真的像電影上所看到的，一但控制系統做好，可以輕易作為無人的偵查監視飛機甚至搬運物品。所以很多以前想像中飛行機器人可以做的事情，利用這種設計都可能實現。
這影片是介紹利用程式控制一群這種飛行機器人來做建築的工作，把機械手跟直昇機結合，加上預先設計的結合材料(這裡可能用磁鐵作弊一下)，就可以讓一群飛行機器人在電腦的控制下自動蓋出結構。或許有一天可以利用這種方式在不同地方進行特殊的工程任務。
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。
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：
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：
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。
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）」：
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。
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：
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。
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：
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。
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
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近來寫程式成了一門顯學，歐巴馬在2014年12月8日還現學現寫，用Javascript在螢幕上畫了一個方形色塊，成為第一位寫程式的美國總統。那麼史上第一位程式設計師是誰呢？答案出乎絕大部份人的意料之外：是一位出生於兩百年前的女性──艾妲．勒芙雷斯。
等等，電腦發明尚未超過百年，這怎麼可能呢？這就得從英國發明家查爾斯．巴貝奇（Charles Babbage）說起了。他在1822年設計出一部由齒輪帶動的差分機，可以反覆計算多項式的差值，而反推出函數的近似值，若能用機器取代人力計算，不但能縮短時間還能避免出錯。然而這部機器要用到兩萬多個零件，而且零件須有相當高的精密度，結果耗時十年，只做出完成度只有七分之一的半成品，原本資助此計畫的英國政府終於失去耐心，不願再挹注資金。但巴貝奇的夢想並未因此中止，因為他遇見了艾妲。
艾妲原來的姓氏是拜倫，是的，她就是詩人拜倫的女兒，卻從未見過父親。因為她的母親在她出生沒多久就受不了拜倫的喜怒無常與不負責任，而帶著她離開拜倫了。或許是遺傳到母親的數學天賦，艾妲自小就嶄露數學天份。十七歲時，她在巴貝奇處看到差分機的半成品，當場就被它吸引。她與巴貝奇兩人持續密集地書信往返討論差分機的未來，巴貝奇從中獲得靈感，決定設計更強大的「分析機」。
巴貝奇構想的分析機用蒸氣驅動，可以用打孔紙帶輸入不同程式，還有貯存資料的暫存器，可說是具備了現代電腦的雛型。為了尋求資助，巴貝奇也到歐陸演講宣傳。一位義大利數學家特地寫了篇科學報告，向歐陸的科學家介紹巴貝奇的構想。這份以法文寫成的報告約八千字，艾妲將它翻譯成英文並加上自己的註解，結果成了兩萬字的小書。
就是在這份譯稿中，艾妲為了舉例如何讓分析機解出代表白努利數的無限數列，而一個步驟一個步驟的寫出形成遞迴計算的指令，這些步驟其實就相當於現在的電腦程式。雖然巴貝奇的分析機終因過於龐大複雜而從未製造出來，但艾妲毫無疑義地被公認為寫出第一支電腦程式的先驅。
在那女性不能進大學的時代，艾妲以家庭主婦的身分竟能有此成就，實在難能可貴！只可惜她37歲時就因醫生用放血療法醫治她的子宮頸癌而失血過多死亡。
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。
