超乎想像的織物！當紡織與電子科技融合：智慧儲能與發光系統

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

一提到蜘蛛，許多人腦海中浮現的畫面，或許是在學校裡不起眼的角落，搭在陰暗牆角的蛛網。在許多影視作品裡，蜘蛛網總給人一種陰森、詭譎的氛圍。然而，讓人不可否認的是，蜘蛛網的結構是如此複雜且精美。

關於蜘蛛結網，在古希臘有一則傳說。大家所熟知的女神雅典娜，曾向遠古人類傳授紡織技藝，被稱為「紡織女神」；而當時有一位染匠的女兒名為阿剌克涅（Arachne），十分擅長紡織，沒有人能比得上她，也因此她也十分驕傲得意，某次她向雅典娜提出挑戰，希望能一決高下。後來，雙方的作品都十分精美、技藝精湛。然而，阿剌克涅所織出的掛毯內容卻是褻瀆、嘲笑宙斯與他的眾多妻子的，雅典娜一氣之下將阿剌克涅變成了一隻蜘蛛，永遠用她自己的身體織網，而現在我們所見的蜘蛛被認為是阿剌克涅的後代。

雖然蜘蛛網幾乎隨處可見，然而背後的秘密就和它的外觀一樣錯綜複雜，吸引著人們去揭開它的神秘面紗。令許多科學家好奇的是，體型及大腦都比人類小這麼多的蜘蛛，到底是如何織出這些精密又優雅的幾何結構的？如此複雜又連續的行為是如何調控及建構的呢？

其實一直以來都有許多探討影響蜘蛛結網因子的研究，例如有科學家將蜘蛛放到外太空，觀察在無重力環境下，蜘蛛結的網有何不同，通常在有重力的情況下，會結出不對稱的網，然而在無重力下便是對稱的。此外，大多靠觸覺織網的蜘蛛，於無重力環境下的織網行為，卻仍受光線影響。由這些結果可以得知，不同環境因素對結網行為的影響^[4]。

但若想要了解行為背後的機制，必須先區分出不同階段的行為模式。先前有些研究試圖分析，但因研究者無法在蜘蛛結網期間進行全天候的觀察，因此許多行為模式的細節仍未被發現。後來也逐漸發展出其他方法去觀察蜘蛛，例如在實驗室裡創造可控的環境，利用攝影機記錄行為^[1]。

幫蜘蛛結網的「每一步」做紀錄！

今年十一月，一項刊登在當代生物學《Current Biology》的研究^[2]，利用紅外線夜視攝影機，在夜晚觀察蜘蛛，並用軟體追蹤牠們快速的腿部動作，將結網行為分成不同階段。

蜘蛛網的種類眾多，但這項研究觀察的是圓網（orb web），原因是在織網的過程中，比較容易透過追蹤蜘蛛軌跡和網的幾何形狀，來定義不同的階段。因此他們選擇織圓網的渦蛛科（Uloboridae）裡的 Uloborus diversus 作為研究物種。這是一種原產於美國西部的蜘蛛，他們的體型很小，小到能夠放在指尖上；由於大多數織圓網的其他類群只在春、夏活動，而這個物種是全年都有，符合長期活動以及耐受性好等實驗所需條件。

雖然這種蜘蛛可以在任何形狀的空間裡結網，但他們更偏好在完全黑暗的環境建造水平圓網。因此，研究團隊設計了一個「舞台」，並設置紅外線攝影機及紅外燈。透過這個裝置，每天晚上監視並追蹤蜘蛛織網的過程，被追蹤的六個個體皆為成年雌性。（只使用雌蛛的原因是，雄性很少結圓網）。

在這個實驗中，研究人員利用動態捕捉軟體，追蹤蜘蛛每條腿的基部、股骨、脛骨，以及前胸的最前和最後，共二十六個點，來分析數百萬件的腿部動作，藉由追蹤腿部運動能夠區分出每個階段的典型及非典型行為，將織網的不同階段作更細部的分析。

蜘蛛網的秘密：動態分析「織網五階段」

織圓網的過程可被區分為五個階段：首先，蜘蛛會花時間探索一下所在空間，同時築出一個雜亂無章的網，稱為「原形網」（proto-web），通常沒有明顯的規律。這個階段蜘蛛會評估周遭環境，並為最終要織的網定位。在探索結束後，蜘蛛會有一個長時間的停頓。

接著，便要開始向外建造網的半徑（radii）。牠會先移除大部分的原型網，並調整一些原型網的線條作為半徑，同時建構框架（frame）。在第三階段之前，蜘蛛會短暫停歇，接著開始向外盤旋，織造螺旋狀的「輔助螺旋」（auxiliary spiral）補強網面的整體結構。這個階段只會持續幾分鐘，因為輔助螺旋是暫時的結構，它是為穩定下個階段的施工而建，也就是「捕獲螺旋」（capture spiral）。當蜘蛛從外圍向內建造捕獲螺旋時，會同時移除輔助螺旋，這是第四個階段。

最後，在某些情況下，蜘蛛會再加上一個稱為「隱帶」（stabilimentum）的構造。有趣的是，這個構造並非所有蜘蛛都有，它的功能也仍未知。目前已有許多假設^[3]被提出，例如可以幫助蜘蛛隱匿、避免其他生物（例如鳥類）撞上蛛網，或讓蜘蛛在其他捕食者的眼中看起來更大，也有假說認為此構造可以吸引獵物。

蜘蛛腦如何進行複雜的結網工程？仍待解答

在分析出蜘蛛結網的五階段後，研究人員發現，蜘蛛結網的行為非常相似，以至於研究人員能夠僅通過觀察蜘蛛腿部的位置，來預測蜘蛛正在為蜘蛛網的哪個部分施工。

研究人員指出，即使蜘蛛網最終的結構略有不同，但蜘蛛結網的步驟及規則卻是相同的，這證實了結網的規則是在蜘蛛的大腦中編碼的。因此未來研究團隊想進一步了解的是，這一連串動作背後的神經系統是如何運作的，在後續的研究中，能夠找出蜘蛛調控結網的大腦迴路，一步步揭開美麗蜘蛛網背後的秘密。

2024.06.05更正：感謝讀者指出，Uloboridae原誤植為金蛛科，已更正為渦蛛科。

參考資料

1. Benjamin, S. P., & Zschokke, S. (2000). A computerized method to observe spider web-building behavior in a semi-natural light environment. European arachnology, 117-122.
2. Corver, A., Wilkerson, N., Miller, J., & Gordus, A. G. (2021). Distinct movement patterns generate stages of spider web-building. bioRxiv.
3. Mena, P. The Function of Stabilimenta in Spider Webs. The Writing Anthology, 36.
4. Spiders in space—orb-web-related behaviour in zero gravity

上一篇提到巴貝奇放棄差分機，轉而投入分析機的設計，意欲打造什麼都能算的通用型計算機。分析機必須採用全新架構，巴貝奇受困許久，沒想到最後讓他突破盲點的靈感，竟是來自於看似毫無關聯的織布機……。

本文為系列文章，上一篇請見：兩艘軍艦換不到兩噸重的計算機？巴貝奇與差分機│《電腦簡史》 齒輪時代（十八）

紡織業落後英國，沃康松臨危受命

還記得發明「便便機器鴨」的沃康松嗎？他結束吹笛人、鼓手與機器鴨等機械玩偶的展演後，本來要更進一步，打造具有肌肉運動、呼吸、血液循環的機械生物，不料突然於 1741 年接到一項官方任務，而不得不擱置這個計畫。（前情提要：如果上帝就像鐘錶匠，當然我們也能？│《電腦簡史》 齒輪時代（十二））

原來法國政府發現英國紡織業這幾年突發猛進，背後的助力就是英國發明家約翰．凱 （John Kay） 於 1733 年發明的飛梭。以往織布機至少要有兩人操作：一個工人提起縱向的經紗，然後將梭子推向另一端，帶著橫向的緯紗穿過經紗，然後另一端的工人待另一組經紗又提起後，再將梭子推回來，如此不斷往返。

有了飛梭之後，一部織布機只需要一個工人操作，而且速度快上好幾倍，還能織出更寬更大的布。因此英國的紡織業無論是成本、產量或樣式，都遙遙領先其它各國，一躍為歐洲的領頭羊。法國政府不甘落後，於是找上沃康松，冀望他運用設計自動機器的長才，也能改善法國的織布機，好迎頭趕上英國。

前人已曾改善織布機，靈感來自滾筒風琴

其實早在沃康松之前，法國就曾有兩位紡織工人試圖改造織布機，時間比約翰．凱發明飛梭還早；不過他們針對的是提花布的編織。織布機織的布有兩種，一種是沒有圖案的素面布，另一種是有圖案的提花布。製造素面布比較簡單，每次提起的經紗相當固定，例如這次是奇數線，下次則是偶數線，如此不斷輪流。但提花布就相當麻煩，每次要提起的經紗組合都不一樣，非常耗時費工。紡織工人布雄 （Basile Bouchon） 想改善的，便是製造緹花布的方法。

其實布雄找到的解決方案已經存在很久了，只不過它一直隱藏在與紡織業毫無關聯的一樣東西──滾筒風琴 （barrel organ） 。

滾筒風琴通常用於街頭表演，只要轉動搖柄，就會自動奏出樂曲。事實上，滾筒風琴的原理與音樂盒類似，旋律變化都是取決於圓筒表面參差不齊的突起。差別在於音樂盒是直接撥動鋼製簧片發出聲音，滾筒風琴則是間接造成不同音管阻塞，由風箱產生氣流通過音管而發出聲音。就這點而言，滾筒風琴反而更接近穆薩三兄弟於 850 年設計的吹笛手。

布雄的父親原本就是製作滾筒風琴的工匠，布雄從小耳濡目染，對滾筒風琴的構造瞭若指掌。因此當他踏入紡織業後，觀察到織布機的經紗起起落落，編織出規律的幾何圖案，便聯想到這其實與滾筒風琴有異曲同工之妙。規律的圖案相當於不斷重覆的樂曲，經紗相當於音管；既然可以藉由轉動圓筒而奏出樂曲，那麼同樣的原理應該也能用於織布機，控制經紗起落而織出圖案。

用紙卷控制經線，織出不同的圖樣

布雄很清楚滾筒風琴的圓筒如何製作：先按照樂譜上的音符在紙上畫好記號，接著將紙裹住圓筒表面，然後在記號處──釘上鐵釘，再取下紙張即大功告成。不過布雄並沒有依樣畫葫蘆，打造另一個用於織布機的圓筒。這是他的另一個洞見：打了孔的紙已經包含如何控制音管的資訊，做成圓筒只是沿襲自音樂盒的作法，並非絕對必要。也許織布機無需圓筒，用打孔的紙張就能控制經線起落？

1725 年，布雄公開展示他的發明：在現有織布機上外加一個編織控制裝置。這個裝置有條寬寬長長、打了許多洞的紙帶，首尾相連成環，再用兩根圓筒狀的軸桿上下撐開，就像輸送帶或跑步機那樣，只不過紙帶是直立的，而且要靠手拉動。

以往要靠人工挑選要提起的經紗，現在只要把上方軸桿推向前去頂整排勾針。由於軸桿表面是鏤空的，所以哪些勾針會被頂到而移動，取決於對應到紙帶的位置是否有洞。沒有洞，紙帶才會推動勾針提起經紗；如果有洞，勾針就會穿過洞而文風不動。等梭子穿過經紗後，再將紙帶拉下一點，再次推軸桿去頂勾針，如此不斷地拉紙帶、推軸桿。由於洞的分布位置都不相同，所以每次會提起不同的經紗，而織出特定圖案。

這是史上第一台半自動織布機，也堪稱第一台可編程的工業機器，因為只要更換不同紙帶，就能織出不同圖樣。可惜布雄的劃時代發明並未獲得青睞，因為它仍有許多缺陷，例如紙張很容易破裂，用沒多久就要整卷更換；紙的強度不足也限制了紙帶寬度，只能織出窄福的提花布；此外，紙帶長度受限於織布機的高度，圖案很快就又重覆，太過單調呆板。

紙卷太短又容易破，何不改用串接的卡片？

三年後，布雄的助理法爾肯 （Jean-Baptiste Falcon） 克服了這幾個缺陷。他把上方的軸桿改成方形，並且改用一片一片串起來的厚紙板取代紙帶，如此一來，就不需要下方軸桿，卡片串接的長度便不受限制，可以織出更複雜的圖案。厚紙板也可以做成更寬，就能織出更寬的提花布。此外，厚紙板較不易破損，就算破損，也只需要更換壞掉的卡片，不用像紙帶那樣要整卷換新。

不過即使解決了這幾個問題，紡織廠仍然不願意花錢改裝織布機，因為方形軸桿仍得靠人工轉動，還要對齊打洞的位置，織布速度沒快多少，也未減少人力，投資效益並不高。法國紡織業的自動化腳步就此打住，直到十多年後，沃康松奉命提升法國織布技術，布雄與法爾肯的發明才又被挖出來。

沃康松以布雄的設計為基礎，但將紙帶改為裹住一個金屬大圓筒，運用自動機器的原理做出連動機制，讓圓筒轉動與推壓勾針的動作一氣呵成，持續不斷地自動織出圖案。沃康松果真不負法國政府所托，於 1745 年展示史上第一架全自動織布機。不過紡織工人可不高興，他們深恐因此失業，群起抗議；有些工人怪罪到沃康松頭上，還朝他丟石頭。織布機自動化的計畫再次受挫，沃康松也不如歸去，重拾他的擬人機器人計畫。

其實紡織工人無須太過驚慌，因為沃康松改良布雄的設計後，雖然可以減少人力、提高效率，但所織的布仍然無法太寬、圖案不能太複雜，所以還是沒有幾家工廠願意購置。為什麼沃康松要延用紙帶，而不是選擇法爾肯所設計的卡片？這的確令人費解。打孔卡片直到半個世紀後，才被另一位法國發明家雅卡爾 （Joseph Marie Jacquard） 重新發掘，他成功地結合前人的設計，打造出可編程的全自動織布機。

雅卡爾統合成功建織布機，巴貝奇承襲設計造分析機

雅卡爾於 1752 年出生於法國的紡織重鎮里昂 （Lyon） ，這裡正是當初布雄與法爾肯工作的地方。雅卡爾的父親也是紡織工匠，有自己的工坊；雅卡爾從小就要幫忙打雜，直到十三歲才在姊夫的指導下識字念書。二十歲時父親過世，雅卡爾繼承了紡織工坊，然而才十年時間，他就敗光家產，只能離鄉背井四處打工謀生，直到 1789 年才回到家鄉，重返熟悉的紡織業。

歷經法國大革命的十年動盪後，雅卡爾自 1800 年開始，陸續發表各種自動化的紡織設備，包括用腳踩踏的織布機、魚網編織機。1803 年，拿破崙特地召見雅卡爾，讓他住進巴黎的工藝學院，任意使用裡面的設施，進一步研究如何改善織布機。雅卡爾仔細研究工藝學院收藏的布雄、法爾肯、沃康松等人的設計，最後他決定將沃康松所用的大圓筒與紙帶換成打孔的卡片，利用棘輪控制卡片轉動，果然成功打造出真正實用的全自動織布機。

雅卡爾織布機 （Jacquard loom） 其實是個控制裝置，可以加裝在現有的織布機上。原本兩個工人一天才能合力織出 3 公分的提花布，改裝後只需要一個工人，一天就能織到 60 公分長，而且布寬與圖案都不受限制。雅卡爾織布機自 1805 年發表，到 1811 年專利期滿為止，共出貨了一萬一千台，大幅提升法國紡織業的競爭力。

雅卡爾不僅改變了紡織業，也間接促進了計算機的進展。打孔卡片的可編程功能在他手中發揚光大，遠在英國的巴貝奇正是受此啟發，才能設計出史上第一台通用計算機。