【2014智活星期二】吳育龍：虛實混和的未來世界

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

記錄：羅紹桀

台中教育大學的羅日升老師，這上學期課程結合最近非常夯的3D列印與台中市西川社區的特有「古婚禮文化」，進行課程的安排與產學合作。

羅老師任教的台中教育大學與西川社區在地理上相當靠近，大約路程只有二十分鐘不等，而西川社區在台中地區屬於古婚禮相當俱有特色與代表性的社區，因此羅老師選擇以「古婚禮文化」為主要的訴求，帶領同學進行文創加值的設計專案。

羅日生：適性3D列印輔助設計教學成果分享—以古婚禮文創商品設計為例

西川社區古婚禮的文創加值

事實上，西川社區本來就有許多古婚禮的相關設施，包含新郎街、古禮的迎親隊等等，由於這個課程是一個全新規劃的課程，因此學生需要一個數位化的軟體工具來輔助，羅老師首先花了半年的時間學會所謂的3D列印技術，接著，羅老師領導學生應用科技進行設計的應用過程，包括場域的踩踏、訪問社區居民，並聚焦幾個特定的議題，以「花轎」為例，一般來說花轎的意義代表首次出嫁，如果是再婚就會使用紙或彩布紮成的「彩轎」。

最後實際做出古婚禮主題產品，每一組至少要做出兩樣以上成品，並且要有特定主題，設計發想、理念等等，期末把成果做成一場展演，主題為「弄囍」。

3D列印技術

在實作部分，是利用系上和智活聯盟的材料來作所謂的ＲＰ（快速成型）作出實體模型，然後進行上色，在系上剛好就有一臺3D列印機，用很簡單的輸出的流程，讓學生瞭解整個設計的實踐，這個過程看起來很簡單，但事實上要在一學期設計出一個產品事實上是有一點難度和時間上的緊迫的。

這次的課程規劃中使用的3D列印技術雖然最近非常夯，但它其實並非新的技術，只是近幾年專利到期，所以才會普及，使用使用3D列印的技術中，模型的建造是關鍵，有好的檔案才會有好的作品出來，羅老師認為，通常在做產品開發的時候，創意重要，設計實踐能力也很重要，尤其是現在很多3D列印或是一些技術越來越成熟了，這些技術加上所謂商品化的點子，與產學合作，就能產生更多的設計能量。

【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。

http://www.youtube.com/watch?v=W82KnkAUc_0

文/馮盈捷

「跨出自己所熟悉的領域」吳育龍老師用最簡單直接的方式說明跨領域的目的，舉例說明跨領域就是將兩者看似毫無相關的專長做有效的結合，好比說一般人認知的科技是冰冷理性的，若是將感性的美學觀點注入，可以讓社會大眾更容易接受科技所帶來的效益。

那麼新一代的人為什麼需要擁有跨領域的專業呢？吳老師說:「跨領域的人才需要的條件主要為整合不同類型的專業，因為台灣產業的就業條件其實都在追求一人多才的特性。」

這時吳老師秀出一張當紅的日本偶像團體AKB48的團體照片說明現今當紅的偶像團體為什麼會擁有這麼高的人氣，原因是在於一個女子團體中每個人的強項不同，當其他人補強了另一個人的弱點，就會有錯覺認為這樣的團體能歌善舞樣樣精通。又以大家所熟悉的RPG遊戲世界來說，通常一個角色可以扮演多種職業背景，滿足玩家的所有需求。

但事實上在現實生活中，一個人擁有多種技能是不太容易的事情，通常都是需要長時間的碰撞及摸索才能找到適合自己的定位，不然很容易導向兩種技能都會卻都不專精的局面。

為了解決跨領域人才所面臨的困難，吳老師說目前系上期望培育出跨領域「介面」人才，由三個不同主修領域所結合而成 : 數位學習、資訊和設計，將不同專長領域的學生異質分組，並且以學長姊的制度帶領後輩。但由於每個人的專業不同也因此容易會有摩擦與碰撞，例如:在高雄紅毛港文化園區的作品中，設計者發想出擲茭文化與數位科技的概念結合，並希望能直接與一般民眾互動，可是做設計的人不清楚做資訊時設定物件感應器上的難處，經過集體創作及長時間的摸索和交流後，學生會經由訓練達到具有兩者專業的特質，所以系上非常重視做中學的概念。

意見相歧的事件很容易在不同領域之間發生，但這也是在整合學習時激盪出火花的一部分，藉由同儕之間學習到他人的專長，並利用不同的角度去思考每一件事。

台灣智活文創跨校聯盟(CREATE TAIWAN)主要是由交通大學為核心集結北部、中部與東部共八所學校，整合科技、產業及文化三方面的課程訓練，著重課程理論與實務的結合，根據不同的需求聚焦於文創方式並且推廣地方特色，目標培育出跨領域的師資及學生。

本活動由Cre@Taiwan 台灣智活文創產業跨校教學聯盟 與 PanSci 泛科學 共同主辦

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。