感官的延伸：物聯網資訊蒐集系統

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

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

在這個通信技術普及的年代，我們不斷介紹各式各樣的通信技術。大多數的通信技術都是為人服務的，這似乎是理所當然的。然而，有一種通信技術並非直接為人服務，而是為物體之間的交流提供支持。這種技術不僅存在，而且在現代已經成為最主要的通信形式之一，我們稱之為——物聯網（IoT）。

物聯網，Internet of Things，簡稱 IoT，顧名思義就是物品，機器、設備連上網路。

在我們生活中，如智慧手錶和藍牙耳機這些穿戴式設備，它們各自擁有特定功能，同時又能透過藍牙技術相互連結，這就是物聯網的一種應用。

你可能會問，手機也算是物聯網的設備嗎？

這取決於你如何定義和使用手機。如果是人們使用 5G 或 4G 技術彼此傳訊息和溝通，那麼這不屬於物聯網的範疇。但當手機與藍牙耳機或智慧手錶連接時，它們之間的互動更符合物聯網的概念。因此，物聯網的基本定義是，不直接涉及人跟人、或是人與設備的互動。基本上都是設備跟設備之間的溝通。

通信是人類最基本的需求，同時也帶來無限商機，就像我們不想跑到別的地方買可樂，卻發現賣光了一樣，科技為能解決這些需求，促使通信技術的持續成長。

如同手機的普及帶動了市場需求，從一家一部的電視和冰箱，到人人一支的手機，並且每隔幾年就更新換代。這種商機吸引了企業的投資，也推動了強大的研發動能。

而現在，我們正生活在一個設備數量遠超人類數量的時代，從藍牙耳機、智慧手錶，到遍布全球的智慧設備，物聯網的技術已經無處不在。

不妨思考一下，還有哪些需求尚未被滿足，也許它們正是下一個物聯網應用的起點。

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參考資料

• The little-known story of the first IoT device – IBM Blog
• 台中空品感測器物聯網勇奪 GO SMART 國際大獎- 生活 – 自由時報電子報
• 目前環境部空污感測器涵蓋那些地區？監控多少污染源？
• PM2.5 Open Data Portal
• 東大・NTT ドコモ・東北電力、「LoRa 無線通信技術」を活用した送電設備の監視に係る実証試験を実施
• 横浜国立大学様（藤野陽三教授） | 導入事例 | ソナス株式会社

文／劉珈均

各式無線網路通訊漸普及，現代社會充滿了與網路連結的電子感測器，測量各種活動與情境，但這些感測器都只單一「孤立」應用在特定地方。智慧網通系統研究所的團隊打破這現象，將每條孤立的感測連結成一張網，團隊開發了「IOT資訊蒐集系統」，統合各式感測資料的語言，並建置資料儲存平台，以物聯網結合資訊蒐集與雲端平台。

IoT資訊蒐集系統由下而上的架構為感測器、「iGateway」、「iStorage Services」。底層為各式各樣的感測器，如電力計、水表、溫濕度、空氣品質感測器、水質感測器、土壤感測器等等。感測器有「專一性」，不同的感測器各有其對應的通訊方式與儲存系統，團隊寫了一套軟體「Sensing Control Platform」給「iGateway」平台，多種感應器的感測資料無線傳輸、經「iGateway」整合為同一語言，再傳輸至資料儲存平台「iStorage Services」，資料可存於雲端，或存於建置在企業內部的伺服器。

團隊的技術重點在「iGateway」與「iStorage Services」兩個平台，目前 iGateway 可提供有線、無線、RS486、3G/4G、Wi-Fi、GPS等通訊方式使用。智慧網通系統研究所組長陳彥廷解釋，產業各自發展資訊蒐集系統的話，得重複建置通訊、解讀的裝置，導致資源疊床架屋。團隊便尋思統合「資訊蒐集」這相近而重疊的任務，將不同的感測數值整合顯示於同一個平台。陳彥廷說：「希望能用軟體加值硬體。」產業無需自力從頭打造基礎建設，可專注於服務應用，節省成本。

目前「iGateway」可連接約兩百至三百個感測器，「iStorage Services」管理的資料量則視各硬體容量而定，後端感測資料也可分類儲存於不同空間，供使用者依需求各自提取，「比如說，A需要ABC三種感測資料，B需要CDE這三種，儲存空間可以分開，或寫個APP管理。」陳彥廷解釋。

各產業可視需求，調整基層設置的感測器種類，讓系統延伸運用於能源管理、工業監測、農業與水產養殖業等等。陳彥廷也期待未來能整合血壓、血脂的感測器與資料，將應用觸角伸展至健康照護領域。

此系統的萌發要追溯回三年前，台電需要一套智慧電網系統，系統能自動讀表、蒐集用電資料，將使用者的用電資訊傳到遠方管理端，以便取得即時用電資訊作為發電參考，也解決人工抄表的麻煩。最初此資訊蒐集系統專注於智慧電網、電力監測的用途。現在此系統的延伸運用，原理就是把智慧電網底層的電力感測換成其他種類的感測器。

資通訊研究所所屬的資策會每樓都有電力機房管理該層樓電力，機房中，一個電力計管理12個迴路，如電腦用電、冷氣用電，資通訊所辦公室的七樓機房就設了一台「iGateway」管理電力計，作為能源監測之用。

中央大學也已佈建此套系統作電力節能管理；也有廠商如中華紙漿、中壢污水處理場，因應環保法規需求，應用此系統檢測廢水排放的水質。日月光汙染後勁溪的事件過後，也紛紛有廠商找團隊，希望檢測農田、區域地質的水質是否被汙染；此系統也技轉給台灣松下電器發展智慧家電管理系統。

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「屏東縣跨域數位爭霸戰實戰競賽」頒獎典禮暨成果展於11月19號完美落幕。為培育屏東青年數位能力，屏東縣政府特別推動「跨域數位人才培育計畫」，主題包含「AVR 應用」、「數位光影技術」、「智慧物聯」、「自媒體影音串流」及「數位媒體應用」五大類，以透過學習數位工具提升履歷競爭力。更延伸計畫辦理「屏東縣跨域數位爭霸戰實戰競賽」，參賽隊伍都是在屏東就學或就業之青年報名，提供競賽總獎金30萬元，鼓勵與培育屏東的數位人才發揮創意，將屏東的故事透過數位方式展現出來。

本次參賽作品精采多元，展現屏東青年設計的創意及數位能量。包括影片拍攝屏東美食美景的「屏安米樂」及「做伙憩屏東」，利用線上展覽介紹屏東單車路線的「屏東單車旅遊趣」，以及獲得潛力獎的團隊「Animation Pingtung」、「斯卡羅」及「禁忌之戀」，第三名則是由透過線上迷宮遊戲的模式融入屏東各個區域的特產、美食的「屏藏物語」，第二名則是製作了年底即將啟動的屏東數位青創中心外牆，運用非常吸睛的光雕影像結合屏東元素的「光點屏東∞斑雕共構」，第一名殊榮則由屏東科技大學餐旅管理系的「鐵橋記」獲得，同學們運用實境解謎搭配Line機器人，透過遊戲方式介紹高屏溪的歷史。

每個團隊皆發揮獨特創造力，在課程中從0到1扎根數位技能、從無到有創造屬於自己的成果，屏東青年人才有目共睹，展現屏東縣政府陪伴青年，提供良好的創業環境與資源，有望未來提升屏東競爭力！