大英雄天團在泛科學

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

如果家中有個機器人，能提供醫療照護、療癒心靈、還能像鋼鐵人般的勇猛，那該有多好！

獲得2015年奧斯卡金像獎最佳動畫獎、也是2014年最賣座的動畫電影《大英雄天團》（Big Hero 6）成功地塑造出劇中主人翁天才科技少年濱田廣最佳貼身玩伴──杯麵（Baymax）這樣的角色，在可愛、惹人憐愛的外型之外，「他」同時具有醫療功能，能適時地給你一個愛的抱抱，必要時也能像鋼鐵人般飛天遁地，毫無意外、順理成章地繼哆啦A 夢之後，成為讓人最想擁有的居家型機器人。當然，我們就得好好來審視一下動畫裡的杯麵，真的有可能成為我們現今家居生活中的一份子嗎？

杯麵，可行嗎？

在杯麵所擁有的十八般武藝中，其中的醫療照護可不是幻想，的確是目前學界研發居家照護機器人所關注的重點，當然電影中僅僅憑藉著簡單的掃描就能偵測出全身裡裡外外的內外傷，顯然是不切實際，如果真能如此，那醫院裡的醫師和種種貴重儀器就都可以全擺在一邊了。目前居家照護機器人的進展包括，能偵測出家中成員是否跌倒或失去反應、並送出求救訊號，提醒用藥時間、並給予適當藥品，也可以充當助行器，提供扶持、協助行走等。在台灣邁向老年化社會之際，這些功能都具有相當實質的功效，一方面可減輕醫療資源的負擔，另一方面也可讓需要照護的長輩保有獨立自主的能力與尊嚴。

來一個愛的抱抱，療癒系機器人

除了醫療照護功能外，杯麵長得白白胖胖，走起路來就像個會動的棉花糖，光看起來就很療癒，但機器人終究不具有感情，它真的有可能深入我們的心靈，讓我們得到貼心的撫慰嗎？懷疑歸懷疑，事實上寵物造型的機器人早已經悄悄地執行它們的療癒任務一段時間了！話說在2012年在台北舉辦的國際自動化工業大展中，就曾經出現過一隻號稱具有療癒功能的擁抱機器人「咖咖熊」，在展場中出盡鋒頭。

顧名思義，咖咖熊是以熊為造型，外型相當可愛、親切，廠商開發它是有感於現代人無處抒發的苦悶，想藉由擁抱的方式給大家加油打氣。筆者當然不會錯過實地體驗「療效」的機會，根據工作人員指示，面對它時，你先要呼喊「咖咖熊」來引起它的注意，然後大聲說出「我要抱抱」，咖咖熊就會搖晃過來與你擁抱，在此同時也會一併測量你的心跳與呼吸，算是連帶的健康檢查。

在大庭廣眾下大喊「我要抱抱」，真是有點尷尬，以達到啟動系統的目的來看，其實喊甚麼應該都沒有關係，廠商的用意就是好玩嘛！話說此「熊抱」稱得上厚實，心中油然升起溫暖的心情，略為觀察其他人被擁抱過的反應，大部分人流露出類似靦腆、滿足之感，好像真的有被療癒到，這也讓人不禁思考起機器人的擁抱到底傳達出甚麼樣的訊息？它足以取代真人的感覺嗎？真的有可能誘發出人類的情感嗎？

世界第一的療癒系機器寵物—Paro

談到療癒系機器人，就一定不能錯過號稱世界第一名的機器寵物Paro，它是由位於日本筑波的產業技術綜合研究所柴田崇德博士（Takanori Shibata）於2001 年所推出，海豹造型、全身毛茸茸的Paro，具有細緻的觸感、慵懶的眼神，以及惹人愛憐的叫聲，一觸摸到它就會蜷曲自己的身體，並用它無辜的大眼睛看著你，真的是超級卡哇伊。可別以為它只是個可愛的大玩偶，Paro 已經獲得醫學認證，對於躁鬱、失智等症狀具有醫療效果，是個貨真價實的療癒系機器人，它也曾在日本311 海嘯過後，前往災區撫慰失去親人的倖存者。在日本，它已經被納入醫療系統，並已成功地推廣到全世界多個國家。由於Paro 確有療效， 台灣的工業技術研院也加以採購、並進行相關研究，期待能開發出更具療癒功能的寵物機器人。

Paro 剛問世時，曾經被送到筑波的醫院陪伴一位近乎失智的老太太，老太太已經有一段時間不跟外界溝通，包括醫生和護士，神奇的是她竟然開口和Paro 說話，震驚了所有人， 也讓Paro 開始得到外界的注意，許多人都想問，它究竟是怎麼辦到的？有個說法是因為Paro 是機器寵物，可以被我們所控制，所以容易產生安全感，也有人說，可愛的外型加上身體的觸感，以及類似有智慧的互動所產生的親切感使然。為甚麼人會對機器寵物產生眷念呢？這其中的緣由可真是個謎。就有待認知、心理等領域的專家進一步的探討與分析吧！

我們以工程眼光來仔細檢視一下Paro，它並沒有雙腳，並不會行走，在訪談人稱「Paro 之父」的柴田博士過程中，他說Paro 就是設計來讓人們「抱」，所以不賦予它行動能力， 但卻讓它擁有相當多的感應器，對聲音、光線、溫度與身體接觸都有感覺，能與人進行簡單的互動，會撒嬌、展現萌樣，也有所謂的情緒需求，會渴望你來摸摸、抱抱它，它也會回應你滿足的笑容。以技術層面來看，Paro 的組成並不是非常複雜，這樣就足以打動人心了嗎？

仔細想想，Paro 身為機器寵物，不會有自我意識，可以想見它並不知道自己在做甚麼， 當然也無從主動投入情感，所以我們感受的溫暖是來自本身的移情作用，願意沉浸於想像中自在、安全的氛圍裡，而機器寵物所能提供的實體感與多重感知上的回饋，比起一般的玩具寵物，更能營造出擬真互動的情境。

Paro 的成功可不僅於此，它身上的馬達、感應器等，全部手工製造，極其精巧、細緻， 讓擁抱它的人感覺相當自然、舒適，但卻不見得全然地模仿真的海豹，正如柴田博士所說， 當初選擇海豹造型，而非貓或狗，乃是基於人類對於海豹的印象是相當可愛，但並不熟悉， 想想誰家隔壁會住一隻海豹啊？也因此不至於對Paro 的外型與叫聲與真實海豹到底像不像有所成見。而他們團隊也持續不斷地根據使用者的回饋，調整出一代又一代更貼近使用者需求的產品，也由於這份貼心，讓原本該是冷冰冰、不具情感的機器寵物，卻溫暖了人心。

ROBOT學堂考：

1. 《大英雄天團》裡的杯麵所擁有的功能中，哪些恰好是目前學界的研發重點呢？
2. 目前居家照護機器人已有那些進展？
3. 日本所開發的Paro，真的具有醫療效果嗎？
4. 人類為甚麼能從機器寵物身上感受到溫暖呢？

本文摘自《羅伯特玩假的？破解機器人電影的科學真相》，由國立交通大學出版社出版。

雷葆的概念自行車設計超級酷！它的設計原理是什麼呢？為什麼現在只有磁浮列車？卻沒有磁浮車、磁浮機車、磁浮自行車呢？

這個問題的答案很簡單。首先我們得先區分，「磁浮」和「磁動（勢）」這兩個概念。「磁浮」是形容磁體浮在超導體上面的狀態，此時的磁鐵與超導體體所受總力為零，也就是說向下的重力與向上的磁浮力達到平衡。而所謂的「磁動（勢）」現象，則是描述電流流過導體所產生磁通量的勢力（force），是用來是用來度量磁場或是電磁場的一種「量」。

所以，回到問題本身，為什麼除了列車之外，我們還必須讓汽車、機車、腳踏車懸浮呢？

我們平時所接觸的交通工具，從自行車、汽車直到火車，大都是依靠摩擦材料之間的機械摩擦力，讓它們從奔馳的狀態中停下來，它們主要利用機械連杆、液壓油或者壓縮空氣……等等不同的方式達到煞車目的。而《大英雄天團》中雷葆的磁浮自行車，則是利用電磁感應的方式產生制動力，讓材料之間不需要有實際的摩擦，但可以達到煞車的目的。因此，自行車可以進行無摩擦自由轉動和制動，能量的運轉更有效率、速度也可以更快。

目前在現實世界，相關實際運用的技術是渦流制動技術（eddy current brake），中國大陸甚至據此技術在２０００年的時候，設計規劃上海磁浮列車，在２０１３年３月７日，由中國全國政協委員、中國鐵道科學研究院主任李和平在接受采訪時公開透露，中國已經掌握了最高時速５００公里的高速列車渦電流制動試驗技術。但是，在電影中，雷葆的磁動齒輪自行車，除了使用渦電流制動技術之外，它非常特別的地方是，車輪非常的輕薄可以輕易的自車體拆卸下來──甚至可以當成飛盤使用！

這麼優質的技術與概念，為何目前只有被應用在列車上呢？最主要的原因就是，運輸工具利用磁浮與磁動技術的同時，也得依賴軌道的設計，才能利用電與磁的作用，改變運輸工具的前進方向。（註一：磁浮列車的前進原理是利用線性馬達將線圈排成直線狀，車輛本身是被地面產生的磁力拖拉或推進而獲得動力。功能線圈是使用交流電，N 極與 S 極會互換，依照車輛量與超導性磁鐵位置，磁鐵的 N 極和 S 極能適時互換即可達到加速，由於車體與軌道間沒有摩力，能量不會因此而消耗。）然而，也因為磁鐵的同極互相排斥，令列車升高，當與路軌接觸時，會有不容易固定列車的狀況喔。

更多好文請看：《高溫超導體形成的秘密－電子袋》

雷葆的自行車還有許多需要克服的難題，比方說，若要因應不同體重的人們騎乘，就必須產生不同程度大小的磁托力；另外，車子移動的方向若不停的改變，又沒有像磁浮列車有輔助的軌道，電磁力的控制與計算就變的非常的重要，也是目前技術實施上最大的困難。

使用磁浮概念的新科技使用日新月異，2014年十二月德國重工業巨擘ThyssenKrupp就研發出沒有線纜的磁浮電梯，突破了傳統設計，製造出可以橫向移動的電梯，不僅速度快，也可讓多台電梯行走在單一通道中，充分的利用摩天大樓的空間。

http://youtu.be/KUa8M0H9J5o

德國大眾汽車（Volkswagen）在２０１２年北京車展的時候，提出了一個非常有趣的懸浮概念車的構想，它主張利用土壤中飽含的磁鐵礦，產生能量，進而促使汽車懸浮與前進。這款磁浮概念車，可以自動駕駛，透過聲控系統可以辨別人聲，並且開啟ＧＰＳ定位且自動導航。最特別的是它的安全感應器系統，它能根據當時行駛的速度和周圍汽車的距離，自動計算出最安全的行駛距離，當可能發生危險時，懸浮概念車就會自動下沉。

附上影片：《Volkswagen’s The People’s Car Project: Hover Car PART 1》

期待未來的磁浮世界，能讓我們的生活空間的樣貌會更為豐富、更有彈性、也更有樂趣！

參考資料：

• ThyssenKrupp unveils new directions for lifts – to the left and right