摔電池也能知道電量

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

報導/張昱傑

美國TESLA電動車公司跌破眾人眼鏡的大成功，占據了各大媒體版面，使得世人重新開始相信電動車的未來，也開始反思，在科技業發達的台灣，是不是也有可能創造出如同特斯拉一般的成功？工研院的「電動車輛系統模組與關鍵技術開發」計畫指出了一個新方向－台灣的電動車該走出自己的路。

電動車，從來不是新科技，早在二十世紀初就曾試圖與剛起步的汽油車爭霸，電動車輛開發計畫在工研院機械所中也一直是個龐大且重要的計畫。然而，為什麼電動車卻從未在台灣成為主流呢？不如問問看你對電動車的印象是什麼呢？跑不遠？沒地方充電？沒力？其實這一切來自來幾個問題：第一是里程數恐懼，第二便是設計思維的錯誤。

你知道台灣人，一天開車走多遠嗎？一百公里？二百公里？其實台灣人每日平均的里程數，只有30公里，一般市面上的全電動車，都有將近100公里以上的續航力，我們卻仍然無法放心，加上充電時間長與充電站稀少這二個現象，不只在台灣，使全世界都因此出現了里程恐懼現象。然而這樣的擔心，多少是來自多慮呢？再來就是工程師在設計思維上，為了省錢，使用了小一級的馬達，造成了電動車沒力的印象，而且並沒考慮里程恐懼，使用了較少的電池為車輛減重，也使得續航力問題，仍為人詬病，這便是電動車所面臨的困境。其實真正的電動車，不只擁有更好的操控與扭力，在能源效率上更是高人一等，而且比起波動的汽油價格，電價十分穩定而便宜……，但這些優點，卻都被埋沒。

TESLA成功的原因，便是直接打破以上成見，直接用大容量的電池賦予超強的續航力，用高價位實現對電動車的需求，雖然一鳴驚人，但這卻不會是台灣的成功方程式。台灣的私人汽車數量，只占全球的0.5%，在數量與規模上，不可能實現這種高單價的跑車生產路線，台灣應該走出自己的路!工研院在電動車風潮中，看到的台灣機會，其實在於零組件：工研院的電動車計畫的重點，便是在開發關鍵零組件：馬達、電控設備，並結合工研院研發的STOBA高安全鋰電池，結合上台灣一直以來在生產能力、彈性、品質上在亞洲的領先的地位，因為台灣沒辦法如同大國，有廣大的消費市場支持電動車，但台灣可以放眼世界，電機、電控、電池，台灣都有領導品牌，為轉型帶來基礎，加上台灣電子業的發達，生產出口控制元件與重要零組件，將帶來的附加價值，更是無可限量。

放眼世界後，工研院回到本土的課題，台灣需要的是什麼樣的電動車呢?其實一直以來，台灣在電動機車、電動代步車、電動輪椅上，有著世界前幾名的領導地位，其實從這個現象，台灣電動車未來也可見一斑。工研院電動車計畫，著眼在商用車：公車、貨車、工廠運輸車、宅配用車之上，以商用車路線固定的特性使得充電可以定時定點，個人面則不和汽車業搶市，發展輕型個人代步車，配合台灣行駛距離偏短的特性，現在上下班，一個人坐在空洞的四人座轎車塞在車潮中，或是騎著機車，穿梭在車陣裡險象環生，成了都市民眾的無奈，工研院認為台灣民眾想要的，是一種都市移動新模式：都市電動車，以小型、足夠的續航力來彌補汽機車間的差異，同時，也將讓台灣的都市不再擁擠。

工研院電動車輛系統模組與關鍵技術開發計畫，將繼續著手在電池效率提升、充電站普及與充電規格統一，發現更多商用車與輕型個人車的可能性，為台灣電動車的未來勾勒出無限可能性。

台灣的電動車未來會是什麼樣子？靠著出口關鍵零組件，開始在電動車市場中占有一席之地，來到了都市，公車、貨車，不再噴出濃濃的廢氣，上班的路上，小型電動車讓道路更寬敞、更安全，台灣更成為東亞電動車城市的典範，這可能就是台灣的電動車大未來!

讓我們一同期許台灣電動車的可能性，不必非得變成TESLA，台灣也可以找到自己的路!

技術專頁:電動車關鍵術 研發顯神通

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