【2014智活星期二】曾仁杰：文化創意與科技應用─教育翻轉

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

「我的小孩現在國一，他問我的問題我幾乎全部都不會，我唯一能幫助他的就是英文跟數學，但許多自然等等都能講出一些我從來沒有聽過的辭彙，這真的是每一個小孩的義務教育需要的嗎？」

演講一開始，曾仁杰老師就以他自己兒子的例子請我們反思目前教育的現況太過理論而與現實脫節，今天他將帶領我們一起思考翻轉教育的精神與實踐的方法。

曾仁杰：文化創意與科技應用─教育翻轉

教室如何不被Goog0le取代？

自從Google開始盛行，幾乎網站上面什麼都找得到，所以學生學習方是自然不同以往，既然如此，教學流程是不是反而應該顛倒過來：「在教室外時盡力Google，在教室時專門來做在家裡無法做的事，如實作方面的技術指導和問題解決。」

而曾老師與智活聯盟更希望在翻轉教室中加入「科技」與「文創」兩個極端的元素，希望老師能帶著學生到實際的場域，實際做出一些成品，從中學習，這些是一個人在家中透過網路比較難自行學習的東西。

智活聯盟串連全台

智活聯盟以交大為統籌中心，聯合全台北中南各大學校，以三大領域「設計思考與生活實驗室」、「智慧裝置與文創加值」、「多元族群與社會包容」等主題設計課程，並深入實際場域，透過不同領與產生創新。

【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=zY2OiiDkydc

文/林俞佐

「『智活文創』分別代表的是：『智慧、生活、文化、創新』」任教於交大土木系的曾仁杰教授，也是台灣智活文創聯盟計畫主持人，他在首場與PanSci泛科學合辦的「智活星期二」活動中，開宗明義地說明智活文創的架構跟精神。

「台灣智活文創產業跨校教學聯盟」的目的，是要將大學課程裡尋常的科技教育與文創結合。「我們希望可以將大學的課程中融入一些文創和科技的元素，並將這些領域碰撞、教學的經驗散播出去。」曾教授並接著問道：「如果要使挑食的小孩吃蔬菜水果最好的辦法是什麼？」答案很簡單，「把食物裝在麥當勞的紙袋裡。」開頭的投影片問答讓人驚覺價值包裝的魔力所在。(註：我曾經很喜歡喝麥當勞的大杯可樂，就是因為那個紙杯的包裝啊…)

科技的價值，是以有人「利用」來作為前提。曾老師分享一則故事：在二戰時期，偽畫專家Meegeren原本被批判責怪為叛國賊，但當他坦承自己其實是將荷蘭國寶畫家的畫作「偽造」後，再賣給德國納粹，反而成為保護國寶的國家英雄。這樣的評判驟然翻轉出自於立意是否良善，可這樣的說詞著實讓那些分辨不出真偽的藝術家跟收藏家臉上無光。同樣的情形也發生在近年，一位著名小提琴家Joshua Bell提著價值400萬美元的小提琴在地鐵站演奏45分鐘，這個與華盛頓郵報合作的實驗揭露人們可能太過於忙碌無法駐足欣賞，也可能真的無法去辨別美好的事物。(最後Joshua Bell獲得約32美元的施捨報酬，其中20元還是認出他來的民眾給的><)

創新是不同領域或特質的融合、突顯、與轉向，這些創新方式在烹飪、建築、與日常用品中都大放異彩，例如在紐約結合不同飲食文化的廚師Marcus Samuelsson是融合式創新、在杜拜整棟建築外觀就是一個QR Code的QR Code建築是突顯式創新、不再只是單純交通工具的腳踏車就是轉向式創新。這些都是以想像力為本設計、創造出來的文創產物。各種實例早已遍布在我們日常生活中。另一個案例是位在美國舊金山，每次要價美金60元的美食深度之旅Avital Food Tour，純裝飾用的無鏡片眼鏡（或著該說，鏡架）、益發複雜跟精良的機械式手表等，看似在功能上早該被淘汰，但都在原本的用途外，因為附加了新的價值而更熱門。

每當特殊節日或是科學名家的誕辰、偉大發明的創造日，Google就不再只是單純的商標或圖案，這樣的巧思創造，讓科技披上更人文、具有溫度的外衣。這是不同領域之間合作、磨合產生的價值，也讓各領域的知識有交流的可能。(小編透過這個認識了英國廣播劇作家Douglas Adams，最近的本草綱目李時珍也是蠻厲害的阿！)

此外，日本藝術團體teamLab運用科技技術表現藝術人文主題、glass keyboard結合光學感應與設計研發。

teamLab的瀑心圖

曾仁杰老師是智活文創聯盟的主持人，可本身的專業是土木，不免會讓人好奇曾老師跨領域的初衷或勇氣？「剛開始是被陷害的」(XD) 但曾老師表示，其實只要邊做邊學，不要侷限自己，過程中收獲還蠻多的。像所帶的學生中有文組跟理組的學生，他們難免會有些溝通磨擦，對同一主題的想法不同，「吵架在所難免」，然而價值就在之中誕生。回到曾老師開頭的故事，我們是否具備審視真正價值所在的眼睛呢？「物質的價值不在物質本身，而在人們對他的認知。」或許磨擦就是驅動未來進步的熱能！