看一眼即知心中小鹿亂撞：影像式心率偵測

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

想像一下，你只是在專心聽故事，即使其他人不在同個空間一起聽。但你們的心率卻會不自覺地同步，你相信有這麼神奇的事嗎？

在過去研究中 [1]，科學家就發現當人們在同個空間，一起看電影或現場表演等共同體驗活動，大家的心律和呼吸等身體機能就會不自覺地同步。甚至，只要和另個人交談 [2]，你和對方的大腦活動、心率也會同步。

最新發表在細胞報導（Cell Reports）的研究 [3]，就發現參與者們只是聆聽故事，甚至不在同個空間，他們的心率也會同步。要能引發心率同步的狀況，有個前提：參與者必須非常專心。

只要靠聽故事，心率就能同步？

人們彼此會傳遞共同情緒等共感現象，長期以來科學家假設是源於我們大腦的社交天性。紐約市立學院教授、論文共同作者帕拉（Lucas Parra）就表示，過去有很多文獻指出，人們的生理機能會相互同步。但人要在以某種方式互動，並實際出現在同個地方。

但是帕拉也提到，我們的研究發現「這種現象要廣泛得多」，當人們只是專心聽故事、大腦處理這些刺激的同時，心率就會出現相似的變化。共同作者之一的西特（Jacobo Sitt）也補充，這是認知功能所驅動人的心率上升／下降，反而和故事情節所引發的情緒並不相關。

而心率同步的前提，就取決於參與者是否專注聽故事，並思考接下來會發生什麼。因為我們的心率波動，有部分是由意識處理所驅動的，而大腦會對這些刺激做出反應。

「注意力」是真正影響心率的因素

研究者進行一系列四項實驗，來探索意識和注意力在同步參與者心率中的作用。首先，研究者讓參與者們（彼此之間沒有互動），聆聽法國小說家凡爾納（Jules Verne）的科幻作品《海底兩萬里》（Twenty Thousand Leagues Under the Sea）的有聲書。

「他們的心率會根據故事劇情而變化」研究者也透過心電圖（EKG）的測量發現，當參與者聆聽故事時，大多數參與者在故事到達特定劇情時，都會表現出心率增加／減少。

你可能會覺得，欸！這個實驗打臉前面論文作者西特所說，心率和情緒變化不相關的說法。於是，他們進行第二項實驗，讓參與者觀看具有教育意義的教學影片，這基本上就不會引發情感變化。

去除情感變化的因素後，發現注意力是真正影響心率的因素。一開始，研究者先讓參與者專心觀看教學影片，大家的心率表現出類似的變化。有專心的情況，那也要測測看參​​與者在不專心時看影片，心率會不會同步。結果，幾乎所有參與者的心率同步情況都下降了。

光看心率是否同步，可以預測植物人的預後狀況嗎？

為了進一步測試注意力和記憶力的關係。在第三個實驗中，參與者分別要在專心、不專心的情況下，聆聽故事，並回想剛剛故事中的細節。結果發現參與者心率波動的情況，可以預測他們在回答有關故事問題時的表現。這也說明心率的變化，正是反映大腦是有意識地處理故事的訊號。

在最後一項實驗和第一個實驗類似，但不同的是，研究者找來有意識障礙的患者（像是昏迷或是處於植物人狀態）參與。多年來，這些患者可能是處在沒有反應的狀態。

然而，研究者想透過播放有聲書，測量 19 位患者們的心跳，來預測他們的預後情況。雖然患者的心率同步狀況明顯遠低於健康對照組，但有趣的是，其中只有 2 名患者表現和音檔同步的能力。

研究者在六個月後回訪，其中一位已經去世，另一名則完全恢復了意識和語言能力。剩下的 17 名患者中，只有 1 名非同步患者醒來，但他們無法說話。

西特也提到，雖然這項研究仍在非常初步的階段，但能夠想像這是個非常簡單的測試。可以運用實驗來測量大腦功能。而且實驗也不需要太多設備，甚至可以在救護車上進行。當然，這還需要對更多處於不同意識下的病患，進行實驗，並和 EEG、fMRI 等進行比較與驗證。

帕拉則表示，這項研究發現故事可以透過大腦功能，來影響我們的生理。不僅展示大腦與身體兩者的聯繫是多麼密切之外，且未來這類研究也能夠幫助我們更廣泛地理解大腦是如何影響身體，同時對於理解正念（mindfulness ）是如何和大腦與身體聯繫的，都是可以深入研究的議題。

參考資料

•  Hasson, U., Nir, Y., Levy, I., Fuhrmann, G., & Malach, R. (2004). Intersubject synchronization of cortical activity during natural vision. Science (New York, N.Y.), 303(5664), 1634–1640. https://doi.org/10.1126/science.1089506
•  Zhang, J.R., Sherwin, J., Dmochowski, J., Sajda, P., & Kender, J.R. (2014). Correlating speaker gestures in political debates with audience engagement measured via EEG. In Proceedings of the 22nd ACM international conference on multimedia (pp. 387–396). ACM, 2654909.https://dl.acm.org/doi/10.1145/2647868.2654909
•  Pérez P, Madsen J, Banellis L, et al. Conscious processing of narrative stimuli synchronizes heart rate between individuals. Cell Rep. 2020;36.  doi:10.1016/j.celrep.2021.109692