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變形五角:改變中的軍事科學

老橘子
・2011/10/03 ・2814字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

2011 年9月出版的《自然》(Nature 477)刊登一篇Sharon Weinberger*寫作的”Power of the Pentagon: The changing face of military science”,本文雖然不是科學研究論文,但是整理了五角大廈在過去幾十年的科技研究資助的變化。述說軍事與科學研究之間的政治、國際局勢、預算及學科衝突之間的關聯。

Sharon Weinberger認為五角大廈支持的基礎研究,正在面臨一個不確定的未來。

不確定的未來

2005年,在伊拉克,當土製炸彈(roadside bomb)比宣稱的造成更多傷亡,資深五角大廈官員呼籲學術社群加入「曼哈頓計畫」,以對抗這些簡易爆裂裝置(IEDs, improvised explosive devices)。如同第二次世界大戰原子彈的軍備競賽,軍事領導人似乎被迫加碼投資科學,以逆轉戰爭局勢。

學術界集體表示事不關己。五角大廈的宏大修辭並未搭上任何科學資助的潮流,也不清楚什麼樣的科技可以協助對抗一個組織鬆散、技術低落的敵人。此外,當時五角大廈的簡易爆裂裝置整合單位的副科學顧問Julia Erdley表示「我們正在尋求短期的解決方案。」

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六年以後,國防部已經花費超過170億美金在對抗簡易爆裂裝置,但是如同Erdley所說,大部分的經費已經流向已知的解決方案的應用,如同載具以及人員的裝甲強化,而非尖端研究。在伊拉克和阿富汗,土製炸彈仍是美軍及盟軍軍隊的頭號殺手。五角大廈官員現在承認,仍無技術上的靈丹妙藥可以避免、偵測和拆除土製炸彈,並且他們曼哈頓計畫般的說詞已經被更謹慎的「阻止恐怖主義網絡高度散布」說法取代(見Nature 471, 566–568; 2011)。

與冷戰時期的風光形成強烈對比,鼓動科學社群對恐怖主義宣戰並沒有成功。冷戰時期,五角大廈支持的科學蓬勃發展,而且被視為反蘇聯技術勢力的重要資產。今日軍事必須在更模稜複雜的環境運作,在一些可能跟任何技術優勢同樣具決定性的「軟」技術(soft skills)中運作,如建立信任、情報蒐集與文化洞見等等。在此新的軍事現實中,科學與技術研究必須提供的東西,變得更不清楚了。

破產的計畫

不確定性,可能有助於解釋某些現在看起來像是缺乏五角大廈支持的藍天基礎科學(blue-sky basic research,指沒有辦法短期達到目標的研究類型),以及偏好短期獲利的應用研究。JASONs,一個由獨立科學家們組成的國防顧問團體,在最近公布的五角大廈科學與技術的報告(完成於2009,公開於2010五月)中說「我們相信國防部重要的基礎研究計畫已經『破產』,甚至丟更多的經費或僅僅改變程序和定義都不能修復。」

表面上,五角大廈的科學基礎看似健全無虞,並支持一系列的研究。包含基礎研究、應用研究與尖端技術發展–在五角大廈的預算項目6.1, 6.2, 6.3–五角大廈的科技預算從2001年9/11事件的高峰下降到2005年的每年147億。(見漲跌表)但大多是尖端技術領域的衰退,不是基礎研究。但總額仍維持每年120億,幾乎是聯邦國家科學基金會的年度預算68億美元的兩倍,而且比起歐洲的國防科學花費高出許多,歐洲國家傳統上只付出美國花在軍事上的一小部份。2009年,從近年來得知的數字,歐洲防衛局(European Defence Agency)的會員–除丹麥以外歐盟每個國家–全部只花費歐元22.6億(折合美金31億)在「研究與技術」領域,大部分投入尖端航空和其他武器的,而非科學。

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http://www.nature.com/news/2011/110921/images/Rise750.jpg
五角大廈科技花費在冷戰末尾降到低點,接著在恐怖主義戰爭中飆增,但現在的下降可能會較深又延續得更長。

在五角大廈內,研究也曾占盡優勢的,前美國國防部長羅伯特.蓋茲(Robert Gates),在2006年入主國防部前,曾任德州農業機械大學的校長,也曾是美國CIA局長,也是一個歷史學博士。

例如,蓋茲清楚意識到許多學術場域,從越戰時期(1955-75)開始就與軍方的關係交惡並經常敵對,尤其是社會科學。2008年,為了重建這些連結,蓋茲提出密涅瓦(Minerva)計畫:一個特別著重社會科學的基礎科學計畫。蓋茲視密涅瓦為軍事科學改革任務的象徵。他在宣佈這項計畫時說到:「面對世界的挑戰,國家力量需要超越軍事威力,發揮更廣泛的概念和應用。…政府和國防部必須參與額外的知識領域–如歷史、人類學、社會學和進化心理學。」

Magnificent seven?

在2012會計年度預算中,蓋茲設定了未來幾年基礎科學預算年成長率2%的目標,並且宣示維持穩定的應用及尖端科技。對於國防資金來源很重要的學科而言,這是特別令人振奮的消息。在美國,約有三分之一的海洋地理學研究和計算機科學的研究資金來自五角大廈,例如,機械工程的大部分資金就是。(見Nature 466, 656-657, 2010)麻省理工學院的的科學史學家David Kaiser提到「物理研究不再與軍事資金緊密相連,即使仍然很重要。」國防部現在也是研究創傷性腦傷的最大單一資金來源。

隨著今年六月三十日下台,蓋茲停止一個五角大廈的科學技術計畫。包含一個用於未來五年的預算計畫的優先性明細表,五角大廈內部人士稱為「豪勇七蛟龍」(magnificent seven)。

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然而,蓋茲的努力也顯示出某些五角大廈的科技計畫的緊張關係。特別是密涅瓦,結合輿論反應,如學術界質問五角大廈是否與社會科學研究有生意往來。(見Nature 455, 583-585; 2008)Magnificent seven的明細表包含的主題有,反毀滅性武器(counter weapons of mass destruction)與減震系統(engineering resilient systems),然而這明顯未鼓舞科學社群。一位馬里蘭大學帕克學院的航太工程師,也是前美國空軍的首席科學家,Mark Lewis說,「很難區分這是魯莽或者先見之明。」這基本上是個人的願望清單。一位五角大廈發言人也說,沒有任何資助目標與Magnificent seven相關。

更基本的問題是許多觀察家認為五角大廈的研究缺乏遠見和整合。前幾十年,透過國防研究工程總部(director for defence research and engineering, DDR&E)來整合,這是一個在1958年蘇聯發射史普尼克衛星之後設置的職位。位於五角大廈權力中心,掌管所有部內的科學與技術計畫。

但是在1970年代晚期,這個職權讓渡了許多預算和政策主導權給採買的國防部次長–武器購買首席。DDR&E,近來刪減員額並改名為國防研究工程助理處,並掌管大部分個人單位和泛五角大廈國防尖端研究計畫機構的科學投資。近年來,辦公室已經被邊緣化,隨著刪減科學預算而不再是軍事科學政策的主導單位。

即使當官方繼續進行國防基礎研究,根據2009年JASON的報告,研究一味地朝向立即應用。在258個由2007年空軍資助的科學基礎研究計畫樣本中,以及陸軍研究單位贊助的類似樣本中,JASON發現有81%並非廣義的基礎研究。

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JASON科學家呼籲國防部提高並加強DDR&E部門,並且獨立於武器採購之外。但是國防部官員沒有做出任何改變的跡象。

同時,五角大廈面臨一個更急迫的威脅。「我們開始看到贊助研發資金的下滑趨勢。」位於華盛頓DC的戰略及預算評等中心的研究員,Todd Harrison提到。歐巴馬政府已經要求五角大廈,在未來12年刪除4000億的預算–現在預算大約每年7000億美金–而且不能保證在國會企圖減少聯邦赤字的同時,這些刪減不會擴大,或者從科技預算中刪除。

Lewis認為蓋茲的增加基礎研究費用的承諾是五角大廈的科學政策在過去幾年內的一個最重要的改變。然而,現在的問題是:蓋茲的繼任者,前CIA局長Leon Panetta,會不會支持這項承諾。Lewis指出,在Capitol Hill舉行的新任國防部長聽證會,當他被問到這個問題時,回答說,他重視基礎研究–但「所有國防撥款都必須考慮現在的預算緊縮時刻。」

換句話說,全部都在刪減的議程中,包含科學。Lewis說「那可能是一個根本的改變。」

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*Sharon Weinberger是西北大學Medill新聞學學院的卡內基研究員。個人網站: http://sharonweinberger.com/

出處:Published online 21 September 2011 | Nature 477, 386-387 (2011) | doi:10.1038/477386a

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老橘子
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貓人複合體。成員為黃貓、花貓、虎班貓。東海社會學博士,清華社人所碩士,曾任報社編輯和記者,博士後研究員,流浪博士。

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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