知識大圖解：拆解全片幅數位單眼相機

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

玩過今天的 Google Doodle 了嗎？為了慶祝世界地球日 50 週年，Google Doodle 以蜜蜂 (bee) 做為遊戲主角，讓大家體驗沾花粉與授粉的過程，並提供關於蜜蜂的小知識，就讓我們來了解一下吧！

大眼瞪小眼，此眼非彼眼

蜜蜂具有一對複眼 (compound eyes) 與三個小小的單眼 (ocelli)。其中，位於頭部兩側、又大又明顯的複眼是由許多的「小眼」(ommatidia) 單元所組合而成，每一個小眼上都具有角膜鏡 (corneal lens) 和晶錐 (crystalline cone)，能夠將光線集中並聚焦在數個延長、環狀排列的網膜細胞 (retinula cell) 上，而在小眼的中央則具有能夠接受光的感桿 (rhabdom) 構造。

由於小眼環狀排列的一叢視網膜細胞外圍被一圈吸光的色素細胞(pigment cell)所包圍，導致每個小眼獨立成像，並與相鄰的小眼分開來，而當所有小眼的影像加在一起時則可提供全景式的影像，便是所謂的聯立影像眼 (apposition eyes)。

至於在頭頂上、複眼之間則具有排列成三角形的三個小單眼，其最外層的透明表皮覆蓋在同樣透明的真皮細胞上，因此光線可以透過去並到達由許多感桿組成的網膜細胞上，然而由於進入單眼的光線聚焦在感桿之後，所以視網膜只能接收到模糊的影像。

單眼主要會整合大視野範圍的光線，對低強度的光或光的細微改變相當敏感，但並不具有高解析力，故通常作為飛行時控制上下左右搖擺的水平儀，和記錄與白晝行為節律相關的光強度週期變化。

女王大人高高在上

真社會性 (Eusociality) 高度發展的蜜蜂蜂群中通常會有蜂后 (queen)、工蜂 (worker)、雄蜂 (drone) 三個角色。蜂后與工蜂皆為雌性，蜂后體型較大，能夠產卵甚至抑制其他工蜂的生殖能力；而工蜂則負責建造蜂巢蜂室、搜尋獵物、守衛蜂巢與餵食幼蟲，至於雄蜂則會與蜂后交配，提供精子，由於其交尾器會在交尾後撕裂，雄蜂便會因而死亡。

誰知盤中飧，蜜蜜皆辛苦

外出的工蜂會採集花蜜，並將其收集在腸胃 (proventriculus or honey stomach) 當中。當工蜂回巢後，便會將花蜜吐出 (regurgitate) 並傳給內勤的工蜂，接著內勤的工蜂便會將花蜜消化並反覆的吸入再吐出，製造泡泡來增加表面積，好讓原先花蜜中高達 70~80% 的水分能夠慢慢蒸發，並藉由消化酵素將蔗醣水解為葡萄醣與果醣，同時分解掉其他澱粉與蛋白質，增加酸度。之後便會將蜂蜜存於巢中，藉由巢中的高溫與搧風，使得水分降低至 18% 左右，讓糖份濃度過飽和而能避免發酵 (fermentation) 後，便會以蜂蠟封存起來。

除了上述以外，Google Doodle 還提供了更多有關蜜蜂本身的知識，以及蜜蜂對自然生態的不可或缺，像是全世界有三分之二的農作與 85% 的開花植物都需要仰賴他們授粉，以及蜜蜂被科學家視為關鍵物種 (keystone species)，如果沒有他們的存在則可能整個生態系統將徹底崩潰等等，可見其無可取代的重要性。

那麼，在世界地球日 50 周年的今天，你對維持生態的蜜蜂們更加了解了嗎？

資料來源

• 昆蟲學概論，2015，原著 P.J.Gullan, P.S.Cranston，徐堉峰、林宗岐譯，合記圖書出版社
• 維基百科：Honey
• 行政院農業委員會蜜蜂主題館

自萊特兄弟於 1903 年完成史上首次的動力飛行以來，人類已在空中與更高的空域取得了驚人進展……

此後的數十年間，人類開發出噴射引擎，進而徹底改變全球運輸。

我們突破了音障，客機與戰機能以超音速飛行。在掌握火箭技術下，登月、探險車漫遊火星、人造衛星繞行地球因此成真，這些火箭則能在平安返航後重複使用。

能將人類送往更遠天邊的科技

然而，英國航太系統公司與反應發動機公司 (Reaction Engines) 攜手合作，希冀以「同步吸氣式火箭引擎」（簡稱 SABRE）將人類送往更遠的天際。

一旦造好，SABRE 的妙處就在於一體適用的設計。相形之下，前段列出的里程碑則有賴各種獨立的科技，才得以實現。

利用空氣的噴射引擎最適合讓飛機從跑道起飛，並賦予極佳的機動性。然而，在推動飛機的速度上，噴射引擎卻有所不足。相反地，火箭引擎雖然推進速度驚人，卻犧牲了飛行時的掌控力，且極耗燃料。

SABRE 則會採用混合動力設計，結合前述兩種引擎的動力技術，讓飛機能像噴射機般起飛、在空中巡航，且有足夠的動力飛進太空。

SABRE 的發展不僅能為航空業帶來持續進步的希望，新科技還可讓我們的基本知識更臻完善，有助於解答其他領域的問題。

本專題會進一步探討 SABRE 的核心：預冷式熱交換器 (precooling heat-exchanger)，可急速冷卻移動中的粒子。

這項技術可望被廣泛應用，好比空調與冰箱的效能改善、車輛的熱回收機制更佳，以及核電廠冷卻系統升級。

一旦 SABRE 開始在天空中驅動飛機，在陸上的各種應用亦指日可待。

——文章出自《知識大圖解國際中文版》2019 年 11 月號，由希伯崙股份有限公司 (LiveABC) 出版

——訂閱優惠與更多有趣的內容都在《知識大圖解國際中文版》