你累了嗎？NPNS可隔空偵測

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

文／劉珈均

紓壓音樂、駕駛狀態偵測、紓壓椅、運動計步器等等看似不相關的發明，都與「心跳」相關聯，而背後核心感測技術一開始是偵測地雷用的，這是怎麼回事呢？量測技術發展中心十幾年來研究非接觸式的生理感測技術，藉UWB與NPNS感測、解析生理訊號，研發一系列有趣而實用應用服務，已獲得67件專利。

「UWB（Ultra Wideband，超寬頻雷達感測技術）」與藍芽、Wi-Fi一樣，都用於無線短程訊號傳輸，而UWB其原理是低功率雷達，當受測目標產生脈動，發射與返回的脈衝信號時間間距也跟著變動，在適當距離內（約1公尺），UWB可透過微小變動偵測呼吸心跳等生理訊號，便成為非接觸式的感測器，不須緊貼皮膚，可隔著衣料感測，不受配戴形式或雜訊影響，特別適合需要密切監控生理訊號的對象如嬰幼兒、疾病患者。

團隊研究UWB已15年，工研院一開始與俄國航太大學合作研究，UWB早期作為軍事用途，如地毯式搜查地面下是否埋有地雷。「從出生到老，人對醫療的需求不減。」量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩說，因此團隊研究如何將UWB短程通訊轉而應用在醫療與民生用途，開發各式各樣的應用。

林宏墩說，「心跳」透漏著許多訊息，首先就是生命跡象；另外，一般多用腦波分析評估睡眠狀態，但受試者須配戴一些配件，此舉就可能影響睡眠，若以心跳分析便無此顧慮。心跳資訊可對應於人的睡眠狀態，繼而判斷人的疲勞程度，甚至也可偵測呼吸中止；現代人的保健意識漸漸崛起，注重健康與運動，透過心跳也可評估人們的運動是否有效，結合動作感測器，幫助人們記錄運動狀態的計步器便由此而生；心跳變異也與交感、副交感神經的狀態相應，而交感與副交感神經的活躍程度正是與情緒相扣連，解析心跳便也能初步推導情緒狀態。

林宏墩說，感測人們睡眠時的心跳呼吸也能據此分析睡眠情況，但單單知道呼吸、心跳數值的意義還不大，「我自己也知道我睡眠不好，更重要的是知道以後，要如何解決它。」團隊靠演算法將心跳數值轉為有意義的資訊，再將資訊轉化為後續應用服務。

把UWB嵌入床墊裡便成了智慧床墊，有些人有呼吸中止症，而床墊持續感測心率與呼吸，一發現有狀況發生，便自動微調頭部與頸部傾斜角度，在不打斷睡眠的情況下就能幫助使用者恢復正常呼吸；他們也曾與風潮音樂合作，探討特定旋律舒緩情緒的效果，發行紓壓音樂輯；團隊也研發了一款紓壓椅，椅子埋有UWB生理訊號感測器，即時偵測人的心跳，推導當下情緒壓力指標，並推薦適合舒緩心情的音樂。

文創也是個應用面向，團隊曾在花博館設計一項作品，觀眾站在特定位置，眼前屏幕長了幾棵樹苗，感測到觀眾的心律而生長，蝴蝶也因此從蛹脫出、翩翩飛舞，彷彿觀眾將生命能量傳送給它；書法講究「氣」的流轉，表現在呼吸上就是運息，團隊曾與故宮合作「行氣」，感測器埋於椅子下，人坐上椅子，控制呼吸，面前的投影布幕會自動寫下書法字，字體隨椅上觀眾的呼吸呈現或濃或淡的墨色，觀眾「用呼吸寫書法」，名副其實的具現「行氣」。

回憶印象較深刻的研究過程，林宏墩說，有段時期團隊埋首研究騎腳踏車時的動作感測，成員賣力輪流騎腳踏車，先是在實驗室內騎健身腳踏車，再到路面試試顛簸環境下運作如何，「有成員騎到膝蓋都受傷了！」而研發困難點在於，實際應用場域不若實驗室單純，有許多雜亂的訊息干擾，必須不斷調整。

未來，團隊計畫研究非接觸式的血糖感測，並繼續開發更多應用服務。

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