跟星空賽跑！　天文馬拉松第十年

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

唐代的王勃是個神童。他 14 歲時路過南昌，州牧（地方首長）重修滕王閣竣工，舉辦盛大宴會，他也參加了。州牧提議寫篇文章，正在你推我讓的時候，王勃已揮筆完成，這就是著名的〈滕王閣賦〉。

文末繫一首詩，其中有兩句「閒雲潭影日悠悠，物轉星移幾度秋。」

詩中的物轉星移，已成為成語。有人改成物換星移，或斗轉星移，也都是成語。這三個成語的意思完全一樣，都用來形容時光流逝，或歲月變遷。讓我們以斗轉星移作例子，來造個句吧。

• 斗轉星移，海峽兩岸已從武裝對峙，變成可以互相往來了。
• 歷經斗轉星移，同學們都已老邁，不禁令人感嘆時光無情。

斗轉星移的「斗」，指北斗七星，位於天球的北方，是很容易辨認，且四季都能看到的一組星星。北斗七星斗杓的指向，會隨著季節改變：春季時斗杓指向東，夏季指向南，秋季指向西，冬季指向北。這就是「斗轉」的由來。

古代的天文學家假想「天」是個球體——天球。天球是以地球為中心，向外擴充而成的球面。由於地球自轉，我們覺得天球在轉，天球上的星星和太陽、月亮一樣，都是逆時針運行，每小時約轉動 15 度。因為整個天球都在轉動，所以恆星在天球上的相對位置固定不變，只有太陽、月亮、八大行星（肉眼只能看到 5 顆）、小行星、彗星的相對位置會變。

無論哪個民族，都會將肉眼看得清的星星分組，每組之間作一些連線，然後比附成人物、動物、器物等等。這種分組，有利於天文觀測。以北斗七星來說，連起來很像古代的舀酒器——斗。因為位於天球的北方，所以稱為北斗。

同樣的星空，中西各有一套觀測體系。星座，是西方發展出的觀測體系，總共有 88 個，大家所熟悉的黃道十二宮，就是其中的 12 個。星宿，是中國古代發展出的觀測體系，總共有 283 個。

星座和星宿分屬兩個系統。以斗宿（北斗七星）來說，就是大熊座「大熊」的臀部和尾部。大熊座肉眼看得到的有 17 顆星，中國的斗宿是其中的 7 顆。

由於地球公轉，每天星空昇起的時間會差幾分鐘。其結果是：不同的季節，天球上的星空各不相同。一年之後的同一天，才能看到完全相同的星空。

古人早已觀察到星空的週而復始變化，也觀察到，斗宿的指向隨著季節發生變化。成語斗轉星移，就是從這兩個天文現象衍生而來的。

• 作者／廖子萱

蕞爾臺灣島，地跨熱帶與副熱帶季風氣候區、四面環海，縱貫的百岳更加深了氣候的複雜程度。

在這樣的地理條件下，即便當今借助氣象衛星進行天氣分析，預報仍偶見差之毫釐、失之千里。一百年前，人們對於山岳、海洋與其相生的自然現象往往常處於未知，而至今日手機隨手可得及時的氣象預報，在短短一百年間，臺灣氣象科學從無到有，蓬勃發展。這背後的功臣包括了中央氣象局、高山氣象站、地震觀測站，這些單位的前身與發展，皆與近藤久次郎有關。

近藤久次郎（Kondo Kyujiro ，1858 – 1926）是臺灣首任總督府測候所技手兼所長，也是臺北測候所所長（現中央氣象局）。 1896 至 1924 年在臺期間，近藤引領總督府測候所設立了七座地方測候所，並協調地方基層治理單位，建構氣象觀測方法和資料搜集的網絡。他更推動高山觀測方法，以進行颱風預測、推動高山與地震觀測系統的建置，為臺灣氣象科學翻開了嶄新的一頁。

臺灣近代氣象觀測的發展

臺灣近代氣象觀測發展可追溯於清朝，光緒年間的1883年，清廷聘請杜伯克博士（Dr. William Doberck）赴香港擔任首任天文司（天文台台長），並在沿海稅關和燈塔裝置觀測設備，進行氣象觀察。臺灣基隆、淡水、安平、打狗四港的稅關，以及漁翁島（澎湖）、南岬（鵝鑾鼻）也陸續在 1885 年前後，展開十餘年的氣象記錄。然而，1895 年清廷與日本簽訂馬關條約割讓臺灣，氣象觀測工作就此停擺，多數的觀測儀器與記錄更在政權交替期間散失。

日本統治臺灣之後，由於當時國際航海安全多仰賴氣象資料，在英法強權的施壓下，臺灣總督府於1896年發布第 97 號敕令，以「台灣總督府測候所官制」編制氣象觀測單位，而日本中央氣象台則選派本文主角，技手（技士）近藤久次郎來臺勘查、策劃氣象觀測站。同年，總督府也在民政局通信部海事課增設「氣象掛」一單位，統理全島氣象事務，如氣象觀測、天氣調查、颱風警報、地震檢測等工作。

1896 年四月至六月間，近藤久次郎與民政局通信部海事課課長遠藤可一翻山越嶺、走訪各地，行跡遠至鵝鑾鼻。根據兩人的調查基礎，臺灣總督府先後於臺北、臺中、臺南、恆春和澎湖設置測候所（後三為 1987 年設立），近藤也在日本中央氣象台台長中村精男（Nakamura Kiyoo）的任命下擔任臺北測候所所長，開始逐步搭建全島的氣象觀測網絡。

在各地氣候觀測所選址的條件上，近藤久次郎配合日本政府在農業、工業、航海與公共衛生等發展項目的資料需求，為詳實觀測各區域氣候根據相對距離由北至南畫設臺北、臺中、臺南、恆春測候所^１ 。此外，還參考了夏季與秋季的颱風路徑設立澎湖測候所，用以觀察自香港與馬尼拉而來的颱風。

除了本島的氣象觀測，近藤還曾於1897年，帶著晴雨計、寒暖針遠赴火燒嶼（綠島）、紅頭嶼（蘭嶼）進行氣象觀測、測量山頂高度，策劃設立觀測站。而後隨著總督府逐步克服東部地區交通和電信的限制， 1900 年、1910 年臺東和花蓮測候所分別建設完成，時至 1924 年近藤久次郎卸任前，全臺共設有七座「一般測候所」。

十九世紀末的觀測所主要沿用清朝遺留的官廳或民房，屋頂簡單設有的風力與風向儀，室內則作為辦公之用。一般測候所以風力塔為主要的觀測設施、可測量風向、風速、風壓、日照和日射；辦公室外設置氣象觀測坪以測量氣溫、雨量、地面溫度等；測候所外另設有提供執勤人員進駐的官舍。

而在時間方面，位於政治中心的臺北觀測所實施 24 小時氣象觀測；其他測候則每四個小時實施觀測、每日六次，用於地區性天氣預報，並將資料匯報予臺北測候所以利發布臨時颱風警報、氣候月報和年報，進一步進行總體性的氣象分析。

擴大氣象觀測網路，發佈氣象預報歷史頁面

為了擴大氣象觀測網絡，總督府會同官廳、派出所、郵局等單位協助蒐集雨量和氣溫資料，並於 1896 年 7 月以「民通 151 號」公報始建立暴風警報通報流程，命令各官廳、海關、郵局、燈塔，將通信部海事課所轉發的暴風警報公布予地方民眾，九座燈塔更奉「總督府訓」兼任氣象觀測的任務，協助測量氣溫、氣壓、風、雲與雨量。

1897 年 9 月，近藤領導的臺北測候所開始發佈每日三次的氣象預報，並與琉球、九州南部測候所，以及徐家匯、香港、馬尼拉等地的氣象台交換氣象報告。 ^２依循著新展開的天氣觀測模式，總督府府報開設「觀象」專欄，刊登臺北測候所撰寫的天氣預報（「本島氣象天氣豫報び天氣概況及暴風警報等」），開啟了臺灣天氣預報歷史性的一頁。直到1905年，全臺各地的雨量觀測網絡已達78處，涵蓋燈塔、支廳、派岀所、學校、郵局、農業試驗所、自來水廠等單位，各處配備簡易的氣溫觀測工具以協助記錄天候狀況。

很快地，日本在臺短短10年內，近藤久次郎已為氣象觀測網打下綿密的基礎。

不只是天氣預報，開啟高山觀測與地震研究先河

1900 年，近藤久次郎附議天文學者一戶直藏提出的新高山（今玉山北峰）報告（新高山ニ關スル研究報告），近藤提到：「新高山山頂是天然絕佳的天文觀測與氣象學研究位置」，他認為高山觀測有助於天文和氣象研究，可藉由研究大氣動力上升的過程進行天氣預測，尤其臺灣每逢夏季，颱風挾帶滂沱大雨常引發災情，若能在台灣百岳中設置幾處高山觀測所，定有助於颱風警戒和天候預設。

於是， 1911 年近藤久次郎與一戶直藏率先提出「新高山觀測所設置計畫」，向總督府倡議在玉山、阿里山興建高山觀測所和天文台，間接促成玉山觀測站（1943 年始建造）與阿里山觀測站（1932年建造）的設置。

近藤久次郎除了推動高山氣象、天文與航空研究，也曾與臺北測候所同仁積極推動與地震和火山相關的研究： 1896 年，臺北臨時測候所首次藉由人體感受進行地震觀測； 1897 年正式落成的臺北測候所，引進格雷－米爾恩型地震儀（Gray-Milne Seismograph）； 1900 年，由被譽為日本地震之父的大森房吉所改良的大森式水平地震儀（Omori horizontal pendulum seismograph）以及強震儀（Strong motion seismograph）裝設於臺北測候所。

這些地震觀測儀也在 1906 年 3 月 17 日的「嘉義梅山地震」發揮了記錄地震波形與餘震數據的作用，獲得的數據使大森房吉找出梅山地震與斷層的關係，並將之命名為「梅仔坑斷層」（後更名梅山斷層）。而後，大森房吉還將研究與近藤所著的說明書刊登於報紙，傳遞地震成因與餘震的科學知識，緩解民間傳說帶來的社會不安。時至1907年，在近藤的協助推動下，全臺共有七所測候所兼做地震觀測，當時的紀錄，也成為現代地震研究珍貴的早期觀測資料。

1924 年，近藤久次郎因病去職返回日本，1926年因胃癌而逝世。 1896 至 1924 年，近藤來臺近將三十年，他在擔任總督府測候所與臺北測候所所長期間，建制氣候所與觀測網絡、編輯並彙整氣象資料；開啟暴風雨警報、颱風預測等重要的氣象預報機制；也協助推動高山氣候觀測、天文觀測與地震研究，著實是臺灣近代氣象科學研究的先河。

註解

• 註 1：然而，由於當時日本與臺灣之間並無定期班船和通訊設備可供交通和信息的傳遞，使得測候所無法如期配備氣象觀測儀器並興建正式氣候站，故先以既有房舍作為臨時氣候所。而後各地氣候所材陸續興建並增添觀測設備：臺北測候所於 1897 年 12 月 19 日遷入臺北城內南門街三丁目；臺中測候所於 1901 年 5 月 20 日遷入臺中城內藍興堡台中街；台南測候所於 1898 年 3 月 1 日遷入台南城內太平境街第 216 號官有家敷地；恆春測候所於 1901 年 11 月 24 日遷入恆春縣前街四番地；澎湖測候所於 1898 年 3 月 1 日遷入澎湖島媽公城內西町。（資料來源：中央氣象局委由財團法人成大研究發展基金會、國立成功大學單位研究之《台灣氣象建築史料調查研究》， 2001 年 2 月出版。）
• 註 2：資料參考徐明同〈台灣氣象業務簡史〉