生物律動-住在身體裡的音樂家特展

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

• 文／林懷亞

音樂，是人類身體的本能。我們的談吐語調、呼吸、器官與細胞的週期以及心跳，都擁有自然和諧的韻律。這些原始的「生物律動」是人類創作、欣賞音樂的基底，當我們不僅僅以耳朵接收或創作音樂，而進一步以身體參與音樂的高低起伏、快慢跌宕，你也許會發現，音樂與我們的生命原來「聲聲相依」。

音樂結合生物體感、觸覺及心理的相關研究近年備受關注，許多跨界音樂創作者更以人類與音樂互動的關係為創作元素。音樂不僅僅是藝術領域的一環，也提供了身心調適與治療之用。本文將從人類的心跳講起，認識音樂與人體的種種美好連結。

人類的「節拍偏好」

2002 年比利時根特大學的 Dirk Moelants 的研究發現，人類的「節拍偏好」（Preferred Tempo）速度為 120 至 130bpm（BPM全稱為「beats per minute」，即每分鐘節拍速度） ¹，像是走路、鼓掌皆是這個速度。同時，Moelants 統計了「1960 至 1990 年中最流行的七萬四千首歌曲」，其中最多的速度也落在 120 bpm，兩者不謀而合。

在 Moelants 之後，2016 年音樂串流公司 Spotify 統計了美國該年五至九月一萬首熱門歌曲，發現多數歌曲速度落在 70 至 180bpm，與一般人的安靜心率 60 至 100bpm 範圍十分接近，更值得注意的是，這一萬首歌的拍速也以 120 至 130bpm 為大宗。²

跟著音樂動次動！音樂真的能幫助我們增加運動效率嗎？

音樂與運動的研究最早可以追溯到 1911 年，當時的科學家就已發現自行車騎士在聽音樂的情境下，踩踏板的速度比平時快。³  2012 年，英國雪菲爾哈倫大學實驗顯示，若自行車騎士與背景音樂的韻律同步，相較沒聽音樂或是沒與音樂同步的騎士，耗氧量少了 7% 之多。在這樣的情境下，音樂就像身體的節拍器，穩住節奏並減少耗損體力。⁴

以上的實驗結果，都是源於聽覺神經元與運動神經元的直接連結。當我們接收聲音時，兩種神經元會互相牽動，使我們自然而然想跟著音樂擺動身體，這在對音樂毫無認知的嬰幼兒身上就可以看到，並非後天習得。

近年有氧舞蹈課程、韻律課程越來越熱門多元，健身房裡不是大聲放著動感音樂，就是人人一副耳機栽在自己的世界裡，「運動音樂」隨著人們對音樂調適身體韻律的認知漸漸成為音樂產業大熱門。Spotify 的〈Groove in the Heart〉計畫，就集結該年前一萬名熱門曲目，依速度排列為極輕、輕、適中、強、極強五個級別，讓使用者根據自己的運動型態搭配音樂（例如適中級音樂適合有氧，強度音樂助於激烈的短程周期式運動等）。只要輸入自己在該運動狀態下的最大心率，便能從中找到適合歌曲，編輯個人專屬的運動歌單。

另外，運動品牌 Nike 也曾與美國獨立唱片公司 DFA Records 旗下樂團 LCD Soundsystem 合作，於 2006 年在 iTunes 推出為跑者量身打造的 Original Runs 系列音樂，譬如〈45:33〉這支 45 分鐘半的作品就是根據慢跑完整週期心率製作；從堆疊的暖身、穩定的高峰再到漸緩沉澱的音樂。⁵

聽莫札特不會變聰明，但聽音樂確實可以治療你我

我們身體對音樂本能性的連結與反應，使音樂成為了調適身心的利器，音樂治療的研究與應用越為普及，並常使用於心臟疾病治療。

例如美國醫療機構 Mayo Clinic 的團體 Healing Enhancement Program 與音樂家 Chip Davis 合作，鼓勵病患在手術過程與手術前後聆聽音樂。⁸柏克利音樂學院音樂治療系的 uzanne Hanser 及其團隊研究更證實音樂對於心臟疾病治療復原期間的身體與心理狀態有所幫助，可以穩定血壓、睡眠品質、舒緩壓力與焦慮。⁹

音樂不僅應用在病況控制，也可以協助病人親屬處理情緒。美國音樂治療師 Brian Schreck 曾與醫療中心暨小兒科醫院 Cincinnati Children’s 合作，替失去孩子的家人製作音樂，協助他們面對孩子離世的悲傷。Schreck 認為心跳聲是世上最美的聲音，而所有韻律都由此而生，因此他錄製病危孩童的心跳聲，根據心跳的節拍改編他們生前最喜歡的歌曲，讓親屬仍能感受、回憶與逝去親人的親密互動。

當心跳與音樂相遇：既能翻轉音樂又能科普！

除了研究既有音樂與生物律動的關係，也有許多人結合兩者創作多媒體藝術，打破藝術與科學的藩籬，為彼此增色。最後，我們來認識兩個讓你意想不到的跨界作品！

「聽你」創作的歌：音樂的樣貌由你的心跳決定！

儘管我們每個感官接收到的訊息都由大腦的不同部位分別處理，但我們聽音樂當下接收到的視覺、觸覺甚至嗅覺，卻可以影響我們對音樂的感受。Luciano Bernardi 與他的團隊在 2011 年研究發現，不僅音樂引起的情緒會造成心血管運動的改變，音樂對心血管的生理影響也會改變我們的情緒。⁶因此不僅文化、時空背景會影響人對音樂的感受，人的身心狀態也會。同一首曲子，不只一百個人聆聽會有一百種感受，一個人聽一百次也可能次次感受不同。⁷

紐約音樂家 J. Views 就以音樂和生理、心理的連結，創造了音樂實驗計畫〈The DNA Project〉，解構組成音樂的元素之一——節奏，反轉聽者只能「聆聽」的立場，讓他們成為創作的一分子。 2016 年以實驗成果集結發行的專輯《401 Days》，歌曲〈#Almostforgot〉，便使用聽者心跳為節拍，創造出各種版本。聽者只要將指頭置於手機鏡頭，讓它偵測隨心跳細微改變的指頭顏色，就能以心跳作為歌曲的 BPM，改變歌曲的節奏。偵測心跳後，螢幕也會出現搭配的動畫，並隨著聽者的心跳決定播放節奏。⁸這支作品不僅強調了聽者為音樂不可或缺的角色（若沒有「聽者」，仍會有音樂嗎？），也具體呈現了每個人對音樂的不同感受。

音樂沒有絕對，心跳也是：音樂與醫療聯手讓心律不整不再難以理解

穩定的節奏使我們得以跟上音樂的韻律，但有時來點不規律，也充滿驚喜。2017 年英國倫敦大學瑪麗王后學院教授 Elaine Chew 與她的團隊進行了一項計畫〈Arrhythmia Suite〉，收錄了不同心律不整的心電圖數據做為節拍依據，再尋找有相似節奏的音樂，並將音樂調整成與對應心跳節拍完全相同的歌曲。¹¹最後這個計畫集結成一系列的鋼琴曲目，例如 Larsen〈Penta Metrius〉便被改編成〈Mixed Meters〉；Piazzolla〈The Grand Tango〉也變成了〈III Tango〉。其實 Chew 自己也有心律不整，她與心臟專科醫生希望藉此計畫認識更多心律不整的情狀，並透過曲子改編的對比，幫助病患及家屬認識這個疾病，進而有益於醫生判定病情的不同階段，制定療程。

出生之前，我們從心跳開始認知世界；出生之後，我們從心跳開始認知音樂，甚至創作音樂。原始的「生物律動」使我們天生就能與音樂連結。因此，我們除了能利用音樂調適身心，也能透過音樂更深刻地傳遞彼此的話語、情感、記憶，與人同理、共感。

注解

1. Rob, M. (2016, November 01). Groove is in the Heart: Matching Beats Per Minute to Heart Rate.

2. Moelants, D. (2002). Referred Temo Reconsidered. Proceedings of the 7th International Conference on Music Perception and Cognition.
3. Ayres, L. P. (1911). The Influence of Music on Speed in the Six Day Bicycle Race. American Physical Education Review, 16(5), 321-324.

4. Bacon, C. J., Myers, T. R., & Karageorphis, C. I. (2012). Effect of music-movement synchrony on exercise oxygen consumption [Abstract]. The Journal of Sports Medicine and Physical Fitness, 52(4), 359-365.
5. Leone, D. (2006, October 20). LCD Soundsystem: 45:33.
6. Bernardi, L., Porta, C., Casucci, G., Balsamo, R., Bernardi, N. F., Fogari, R., & Sleight, P. (2009). Dynamic Interactions Between Musical, Cardiovascular, and Cerebral Rhythms in Humans. Circulation, 119 (25), 3171-3180.
7. Szendy, P., & Nancy, J. (2011). Listen: A history of our ears. Preceded by Ascoltando / by Jean-Luc Nancy. New York, NY: Fordham Univ. Press.
8. Blake, E. (2016, April 07). See the first-ever music video controlled by your heartbeat.
9. Hanser, S. B., & Mandel, S. E. (2005). The Effects of Music Therapy in Cardiac Healthcare. Complementary and Integrative Therapies for Cardiovascular Disease, 320-330.
10. Mayo Clinic. (2007, November 05). Complementary Therapies Help Patients Recover After Heart Surgery.
11. Chow, E. (2018, October 24). The Music of Arrhythmia.

希望看展覽也能像看戲劇一樣，同時進行視覺與聽覺體驗，最好還能動手實作？現在國立台灣科學教育館展出的「設計我們的世界-科技性別化創新」展覽（以下簡稱「設計我們的世界」展）就能滿足你的需求！

細膩布置，帶你看見蒙塵微光

策展人暨科教館「跨領域策展小組」組長林怡萱表示，團隊花了一年的時間收集資料、規劃主軸、設計教具、動畫與歌曲，打造亞洲還很少見，同時結合科學工程領域女性議題、性別化創新觀念與實作體驗坊的展覽。

「設計我們的世界」展除了能讓未來想投入 STEM 領域（科學、科技、工程與數學）的女孩認識科學歷史上的女性典範，也適合自認不擅長數理或不具備創新能力的大朋友與小朋友，通過展覽發現新的學習方法與自己的創新潛能。

第一大展區「關鍵少數」除了精細的布置與真跡複本，策展團隊更用心安排燈光、音樂、動畫與多媒體互動等豐富元素，讓參觀者更容易融入時代氛圍。透過劇場式的體驗帶你走進雅典時代、文藝復興、啟蒙運動、十九世紀至二十一世紀等不同的時空，認識當時的女性典範與她們面臨的困境。

科學是眾人之事，並非只靠單一明星

提到對科學領域有重要貢獻的人，一般人都能隨口舉出好幾個科學家的名字，但其實科學知識能順利進展與傳播，並非只是靠科學家的努力，還需要協助研究的研究助理、製作儀器的工程師、紀錄動植物圖像的科學插畫家，製作解剖模型的工藝家，科普工作者等人的付出，才能讓科學社群蓬勃發展。

在「設計我們的世界」展，你將看到這些鮮少出現在科學主流的女性研究者身影。例如生活於十七世紀的瑪麗亞．西碧拉．梅里安 (Maria Sibylla Merian)，因為對昆蟲感興趣，開始系統性觀察、紀錄昆蟲並畫下牠們不同生命階段的樣子。梅里安曾花兩年的時間，帶著女兒前往荷蘭殖民地蘇利南 (Suriname) 進行生態觀察之旅，完成記錄當地動、植物的重要《蘇利南昆蟲變態圖譜》。

而啟蒙運動時期的夏特萊侯爵夫人 (Émilie de Châtelet) 作為熱愛科學與哲學知識的沙龍女主人，曾於 1740 年出版一本介紹牛頓等當代知名科學、哲學理論的科普教科書《基礎物理》 (Institutions de Physique)。

為什麼科技需要性別化創新？

被譽為現代解剖學之父的維賽留斯 (Andreas Vesalius) 曾因為當時社會分工影響，缺乏臨床經驗，簡化了對男女生理器官差異的認知而提出「除了生殖器官以外，男性與女性的器官並無差異」的誤解。而這類未察覺的性別偏誤，仍存在於現代科學工程研究與生活環境中，讓我們產生錯誤判斷或忽略可能的創新機會。

在「見維知著」展區，策展團隊結合史丹佛大學的「性別化創新」(Gendered Innovations, GI) 專案研究與國內外實際案例，從科學、健康醫學、工程或環境四大角度，帶參觀者了解「性別刻板印象」、「忽視性別差異」與「僅專注於性別」等習慣所可能產生的問題。

此外，這裡也介紹了許多納入不同性別與不同年齡層使用者需求的創新案例。例如維也納政府在設計無障礙道路設計時，如何從性別的角度切入，讓無障礙道路同時提供行動不便者、提著購物袋、推娃娃車或照顧其他家庭成員的人更安全且舒適的行走空間。

數理真的很難，還是我們把它教得太難？

奧瑞岡科學與工業博物館的 Design Our World (DOW) 教案發現，如果想要吸引女孩投入工程與科技領域，在教案設計上需要注意幾個要點：提供女性榜樣、生活化、說故事、吸引感官、凸顯利他主義、個人化，使用包容性的語言，以及設計開放式與沒有標準答案的活動；這樣的教案設計同時適合不擅長通過傳統考試與競爭來學習的兒童。

策展團隊以 DOW 教案的精神打造出「匠心獨運」展區，規劃「與樹共生」、「手術解決方案」、「地震緊急救援」等遊戲，讓大小朋友直接根據任務目標，運用現場的材料，發想創意並動手打造原型 (prototype)，體驗科學家與工程師創新的過程。例如在手術關卡，你將拿著細小的工具，嘗試在有限的範圍內取出物件，感受在人體內開刀的困難以及好用的醫療器材對外科手術有多重要！

如果參展者看完展覽有任何的感想想交流，可在最後的「集思廣益」區聽演講、玩桌遊、留下意見回饋，激盪出更多的思緒與創意火花。

保持對世界的好奇，找到自己的專長

對於想要投入 STEM 領域，但擔心自己數理不好、無法成為科學家的年輕女性，林怡萱分享道：

除了知識和理論外，實作能力、同理心、好奇心以及企圖心，都是科學家不可或缺的精神。

如果現在覺得不擅長某些科目，可能是沒找到適合的學習方法，她建議大家先設定想解決的問題，再收集需要的相關知識，讓學習並非單純為了考試與成績。此外，如同展覽要傳達的，現代科學工程領域包含了各式各樣的工作，也許你擅長的專業就是團隊需要的人才也不一定呢！

《設計我們的世界-科技性別化創新》展期 2019.02.26-11.24，在國立台灣科學教育館七、八樓東側展廳。

本文感謝林怡萱小姐、鄭鴻旗先生