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誕生於動盪幕府末期的天才機關師 —《大人的科學》

親子天下_96
・2015/11/23 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

持續了數百年的「機關人偶」歷史是日本獨特的文化。在進入新世紀之際,出生時間僅僅相差 2 年的兩位天才機關師,更將機關人偶推向高峰。這兩位分別是製造的機關人偶十分精妙而擁有「魔術師」別稱的大野弁吉(1801~1870年),以及「東芝」創業者的田中久重(1799~1881年)。兩人的卓越技術透過他們的機關人偶相關故事與傳記等,流傳至今日。

舉例來說,當時才十幾歲的久重在老家旁邊的五穀神社夜間祭典上,對著前來購買傷痛軟膏及觀賞雜耍的群眾,展示自己製作的機關人偶。在屏息以待的眾多觀眾面前,手捧端盤出現在舞台上的女性裝扮機關人偶,微微晃動頭部,踏著優雅的步伐來到舞台邊緣停住。在舞台旁邊等候的青年久重,請三位觀眾拿起端盤上的茶杯,一飲而下,等到最後一人把杯子放回端盤上,女偶便轉身,心滿意足地晃著腦袋,沿著來時路往回走。

這個十分精巧的「擬真人偶」作品,令在場所有人無不忘我驚嘆:「太妙了」、「真是不可思議」。後世的機關裝置研究家東野進先生,重現久重製作的這個「茶酌娘」人偶。見了人偶的動作之後,證明這段小故事並無誇大。茶酌娘捧著擺了三只茶杯的端盤、微微點著頭、雙腳交互移動往前走,走到事先設定好的距離時,就會自動停止,再藉由端盤裡的三只空茶杯重量讓它轉身,回到原本出發的地方。

茶酌娘
久重製作的茶酌娘。無須拿起端盤上的茶杯,人偶也會自動停止,擺上 3 個空茶杯後,人偶才會轉身回到原來的地方。

這種不是利用引擎或馬達,而是利用高超技術實現的精確動態,連生活在現代的我們都感到驚訝,更何況是江戶時代那些只見過人類操控的人偶淨琉璃(譯注:日本傳統四大戲曲之一,以人偶搭配音樂演出的戲劇。淨琉璃是指以三味線伴奏的說唱表演。)的老百姓;對於他們來說,發條是陌生的動力來源,不難想像當他們見到能夠自行活動,而且動作變化豐富的機關人偶時,受到的衝擊有多大。

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利用來回各地表演與自學 鍛鍊技巧的久重

寬正十一年(1799 年),田中久重出生在筑後國(現在的福岡縣)久留米的鱉甲精工師的家裡。才 8 歲就懂得替收納硯台等的箱子加上特殊的保險箱數字鎖,讓私塾的朋友們為了打開箱子吃盡苦頭,早早便展現其才華。自小就在老家旁邊的五穀神社接觸「機關裝置表演」的久重,到了 15 歲的時候,在該神社的例行祭典上發表「竹輪澆花器」。他埋首在機關裝置的世界裡,沒有接觸家業的鱉甲精工,從早到晚都躲在後院廂房的二樓裡,專心致志思考並製作機關裝置。父親過世後,家業改由弟弟繼承,久重專注在機關裝置上。20 歲左右,他在五穀神社發表「雲切人偶」的演出,人稱「機關儀右衛門」,因而遠近馳名。

但是,機關師的人生絕不輕鬆;為了滿足觀眾,必須經常追求「新技術」,但是知識只能夠靠自學取得。久重在文正七年(1824 年)留下妻子,來回各地進行真正的機關裝置表演。他巡迴肥前、肥後(今日的佐賀、長崎、熊本),前往上方(江戶時代的京都、大阪與週邊區域)。他一邊演出,一邊參加各地的市集、法會、例行祭典等;表演有時大受好評,有時不受青睞。他仰賴旅途中的表演收入維生,一邊漫遊各地,學習該地方特有的技術,逐漸提昇製作機關裝置的技巧。久重製作的「童子杯台」、「寫字人偶」,以及被譽為最高傑作的「拉弓童子」等機關人偶名作,被認為都是在這段時期誕生。

接下來,在技術和經濟方面都有了自信的久重,到了天保五年(1834 年)把留在久留米的妻子叫來,移居到有「天下廚房」之稱的大阪。此時,原本靠表演維生的久重,出現了重大的轉機。久重利用空氣槍的構造發明了「無盡燈」並開始販售。他第一次親手製作的生活必需品大受歡迎,坊間出現了許多類似的產品。這個發明也被認為是利用家電產品打造全新生活風格的國際企業「東芝」萌芽的起點。

無盡燈
利用空氣壓縮自動為燈芯補充燈油的方式長時間點亮燈火,保持裝置持續燃燒。

善用技術做生意的久重

久重搬到大阪的三年後,也就是天保八年(1837 年),遇上大鹽平八郎之亂(譯注:前一年日本發生天保大飢荒,地方政府卻拒絕援助民眾,因此大鹽平八郎率眾發起反江戶幕府的革命。),住家被燒毀,因此久重在叔母的幫助下逃難到伏見(現在的京都)。在那兒,久重拜比自己年輕20歲以上的廣瀨元恭為師,積極吸收蘭學(譯注:透過荷蘭傳入日本的歐洲學術、文化、技術的統稱)知識。

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另外,到了弘化四年(1847 年),他也拜師從安倍晴明(譯注:921~1005 年,日本平安時代的陰陽師)時代起掌管天文、編定曆法的土御門家,學習天文曆法學。這一年,他製作須彌山儀(以印度佛教宇宙觀「須彌山說」為基礎、解釋天動說的時鐘。「須彌山」是佛教傳說中位於世界中心、眾神居住的山。);又過了兩年,他獲得嵯峨御所(譯注:平安時代早期嵯峨天皇蓋的離宮,後來變成大覺寺。)頒發給商人與工匠的最高榮譽,稱號「近江大掾」。到了嘉永四年(1851 年),久重完成日本鐘最高峰的「萬年鐘」,隔年在京都烏丸開了「機巧堂」。

萬年鐘
底座寬 64.5 公分,高 83 公分的地上型時鐘,具備各式各樣的功能。黃銅打造的雙重發條兩組轉一圈的話,據說能夠持續讓時鐘活動 200 天以上。

這一年正好是美國海軍准將培里強行把船艦開進浦賀港,要求開港通商(黑船來航事件)的前一年,外國蒸汽船頻頻靠近日本,感受到威脅的久重利用從蘭書(譯注:荷蘭文或荷蘭的書籍。)上自學而來的知識,打造日本第一個蒸汽船模型。關白鷹司政通大人聽聞消息,將久重邀請至自宅,讓模型在庭園池子裡行走。關白對於蒸汽船模型在池水裡破浪前進的姿態相當感動,親手寫下「日本第一精工師」的招牌給久重。年過 50 歲的久重成為名實相符的頂尖「機關師」。但是,這也是他從「江戶的機關師─機關儀右衛門」變身為「明治的機械工程師─田中久重」的轉捩點。

奠定龐大企業基礎的「企業家」久重

安政元年(1854 年),幕府與美國簽署和親條約(日美和親條約),開放下田與箱館兩港口與美國通商,久重也在這一年受到佐賀藩邀請,成立日本第一個科學研究所「精煉方」。隔年,久重製作出正式的外輪式蒸汽船模型,也成了 10 年後佐賀藩完成的日本第一艘蒸汽船「凌風號」的原型。其後,他以機械工程師身分活躍於打造先進武器阿姆斯壯大砲等領域。到了 1868 年,他 70 歲的那一年,迎接了「明治時代」的到來。

蒸汽船雛型
外輪式蒸汽船模型

明治六年(1873 年)久重前往東京(譯注:江戶於 1869 年改稱東京。)。在麻布大泉寺成立「珍器製造所」,開始製作電報機。兩年後,他改到銀座煉瓦街成立「田中製造所」。直到他在明治十四年(1881年)以83歲高齡過世之前,仍然精力充沛地活躍著。

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本文摘自《大人的科學–迷你奉茶童子》,由親子天下出版。

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親子天下_96
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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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