施虐循環

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

南美曾經存在著名為「印加帝國」的文明國度。

印加帝國有著以分毫不差的精密度加工製造的巨大岩石建築、美麗的織品、以及高度進化的統治制度。雖然沒有車輪、文字、鐵器等文明基礎，卻擁有高度技術，堪稱歷史之謎，是一個神祕的大帝國。印加帝國也擁有優異的農業技術。其中尤以鳥糞肥料給予帝國極大的恩惠。這不是普通的糞，而是能夠提高作物收穫量十倍的魔法大便，由祕魯鰹鳥為首的海鳥的糞堆積而成。

祕魯鰹鳥是棲息於海洋的鰹鳥的一種，主要分布在南美洲的祕魯和智利北部。牠們在斷崖群集築巢，形成大規模群體，從上空如火箭般俯衝入海面捕捉沙丁魚。南美祕魯的島嶼自古以來就是祕魯鰹鳥的棲息地。鰹鳥已經在當地生生不息地生活了數千、數萬年。鳥群長年棲息，就會在地面堆積糞便。累積數萬年的糞便化為化石之後，形成厚厚的地層。這些糞化石稱為「Guano（糞石）」。Guano 是印加帝國時代的語言中代表「糞」的詞。

先民很早就知道鳥糞石能夠發揮家畜糞便十倍的效果，是非常優異的肥料。印加帝國利用糞石來耕作，使食物生產量穩定，因而有多餘的勞力整頓總長達五千公里的道路等公共設施，或是挖掘金銀礦。然而號稱有一千萬以上人口的這座帝國卻被一小撮西班牙軍隊的前哨輕易殲滅。西班牙人壓榨印加帝國的原住民，逼迫他們在礦山挖掘金銀。辛苦的勞役使許多人喪命，導致人口銳減。人類歷史好像總是重複著這種情節。

後來印加帝國被西班牙人稱為「祕魯」。一八二一年，祕魯終於脫離將近三百年的西班牙苛政統治，但當時國內已經沒有任何產業。然而印加帝國的子孫相當堅強。他們想到外銷遠古時代使國家富強的糞石。

這項貿易大獲成功。祕魯開始挖掘糞石，外銷到歐美國家。糞石不愧是奇蹟的肥料，能夠讓小麥和菸草收成突飛猛進，使歐美各國瞠目結舌。日本有「金肥」這樣的詞，而在土地貧瘠、食物供給開始出現危機的歐洲，糞石可說具有等同於黃金的價值。

很多人也許以為農作物只要有土壤、太陽和水就能生長，不過這種想法就像不知道石油存在還想讓車子跑一樣。要培育作物，必須定期補充土壤中被消耗的養分。其中重要的是氮、磷、鉀三大元素。尤其是氮，具有讓植物長大的作用。糞石當中便含了豐富的氮。

既然知道有這麼重要的功用，當然不能輕易放手。這一來就成了賣方市場。歐美各國只能依照祕魯價，但卻遭到頑強抵抗。在慣例的口水戰後，氣昏頭的美國竟然訂立了「糞石島嶼法（Guano Islands Act）」，硬是規定「生產糞石的土地可以視作美國國土」，簡直就跟搶人東西的霸道小鬼沒有兩樣。

祕魯因為外銷糞石而一夕致富，不僅還掉借款，設置港灣、電信等基礎設施，還創建了軍隊。然而在採掘、生產糞石上，祕魯卻沒有花費任何金錢。採掘工作主要是利用囚犯、逃兵和黑人奴隸的勞力。祕魯一方面從非洲輸入奴隸，另一方面又派船到圖帕伊島、彭林島、庫克群島、拉帕努伊島（復活節島）等島嶼，拐走當地居民送入採掘現場壓榨勞力。他們毫無忌憚地複製昔日西班牙帝國的惡行。

林肯的奴隸解放宣言對祕魯來說造成很大的困擾。祕魯因為無法壓榨黑人奴隸而傷腦筋，於是就改用被稱為「苦力」的中國勞工。這些苦力美其名為「移民」，實際上卻等同於奴隸，多半是被拐或被騙來的的人。他們形同商品般，從本國被「外銷」。

採糞石的工作條件極為惡劣。勞工必須在令人窒息的糞便粉塵飛揚中用鏟子挖掘糞石，然後又要背負裝了數十公斤糞石的袋子行走。勞工變得羸弱不堪，背上腫起蚯蚓狀的痕跡，臉上刻印著苦工與絕望的深深皺紋，甚至也有人自殺。十九世紀中葉，苦力人數多達十萬人，而糞石採集現場的七成是中國人。

就如過去印加帝國曾經繁榮，祕魯也倚賴糞石迅速發展經濟。然而過度的富裕會使人類的思考麻痺。祕魯人一再把理所當然的問題延宕到將來：糞石是海鳥糞的堆積，數量有限；只要繼續挖掘，總有一天會枯竭。經過好幾萬年累積熟成的大地黃金僅僅經過四十年就枯竭了。

完全仰賴糞石的祕魯經濟頓時萎縮。於是祕魯盯上了「硝石」來取代糞石。硝石是含有氮的礦物，可說是糞石的親戚。有人說來自鳥糞，也有人說是地殼變動產生的，可作為有用的肥料。

位在祕魯、玻利維亞、智利三國之間的「亞他加馬沙漠」便是硝石的礦床。三國原本約定在此採掘的硝石應平分，但智利旋即無視此項約定強行侵入，甚至還進逼玻利維亞與祕魯的領土。玻利維亞與祕魯因為產生危機意識而締結祕密同盟，並採取接收智利企業、增加課稅、逮捕經營者等手段與之對抗。智利則以占領玻利維亞領土的行動回敬。

到了這個地步，就只剩下一條路：戰爭。

智利軍隊與祕魯／玻利維亞軍隊之間的「太平洋戰爭」（一八七九年∼一八八四年）是舊時代的戰爭，有裝甲艦發射大砲、撞向敵船、再由士兵攻入對手船上展開格鬥。戰爭持續五年，造成數萬人死亡，最終由智利軍獲勝。祕魯和玻利維亞各失去部分領土。

這一來，智利似乎終於可以毫無忌憚地外銷硝石大賺一筆⋯⋯然而這樣的算盤卻遭到科學發展的阻撓。二十世紀初葉，兩名德國學者發明了「固氮法」。「固氮法」號稱「從空氣中製造麵包的方法」，達成了人類長久以來冀求穩定食物生產的心願，可說是畫時代的發明。

使用這項技術，就可以從空氣中合成氮。也就是說，想做多少肥料就能做出多少肥料。硝石的需求突然消失了。今日人類消費的食物據說有一半左右就是依靠固氮法製作的化學肥料種植的。也就是說，構成現代人肉體的氮有一半是人工物質。就各種層面來看，固氮法都是改變世界的發明。

氮也可以作為火藥原料，而這項原料變得能夠大量生產。有人甚至認為如果沒有這項發明，第一次世界大戰就不會發生了。德國科學家透過固氮法，同時開發了拯救人命與奪走人命的手段。後來祕魯透過砂糖、棉花、金屬礦山等讓經濟復甦，但是糞石礦山卻完全荒廢了。原本數量眾多的鰹鳥幾乎都消失蹤影。

挖糞石的勞工趕走了干擾工作的鰹鳥，毀掉牠們的鳥巢，撲殺大量的鳥。海風吹拂著大地，只有倖存的幾隻鰹鳥發出尖銳的叫聲，迴盪在荒涼的採掘場。

過了一個世紀的今日，祕魯的糞石再度受到重視。由於化學肥料導致地力衰落的問題逐漸受到重視，大家開始關注天然有機肥料。糞石堆積場經過重新調查，並設置採掘場。鰹鳥數量也恢復到三百萬隻，夜以繼日地把糞石原料的糞便落下並堆積在大地上。

祕魯導入了十九世紀時缺乏的「永續」概念。他們禁止捕捉海鳥賴以維生的沙丁魚，保護鰹鳥，並控制採掘量，希望能夠永續經營糞石產業。然而勞工做的事情仍舊和過去一樣。在令人窒息的粉塵中，勞工用毛巾作為口罩，拿著鏟子挖掘糞化石，並背負著沉重的麻袋。這些勞工不再像從前一樣是奴隸，不過因為擔心嚇跑海鳥，因此不能使用大型機械。

來自祕魯各地的勞工當然也領得到工資。他們不像過去的中國苦力遠離家園，在對故鄉的思念中客死他鄉。他們身上有手機。有人認為新興的糞石產業再怎麼撐也不會超過十年。人類與鰹鳥的共存關係不知能夠持續多久。

鰹鳥仍舊和往昔一樣，只是發出尖銳的叫聲。

大便、糞便、便便……不管是多優雅的稱呼，我們腦中想到的就只是從洞口「噗通」一聲掉下去，而且很臭的那一坨東西。生物的神經系統和免疫功能如此精密，為什麼只有排泄過程卻這麼草率？大便啊，你到底是何方神聖？

動物的大便可是超有用的呢！

本書作者早川為日本知名的「奇怪生物」研究大師，他將帶你認識各種不同動物的大便，以及這些動物如何藉由大便產生了令人嘖嘖稱奇的動物行為！《便便不思議》，貓頭鷹出版。

黃向文／國立臺灣海洋大學海洋事務與資源管理研究所教授兼所長，本刊副總編輯。

2015 年9 月，一篇海鳥誤食海洋垃圾的研究發表於《美國國家科學院院刊》（Proceeding of the National Academy of Sciences），許多媒體引述標題非常聳動，如「海水汙染嚴重，9 成海鳥曾吞過塑膠」、「2050 年99% 海鳥都會吃到塑膠」，真的嗎？ 99% 海鳥都會吃到塑膠？這可是非常嚴重的環境問題。

因應人類對於塑膠的需求量，塑膠產量從1950 年代以來每11 年倍增，也因為塑膠難以分解，加上儲存、處置的不當，導致大量塑膠被棄置、流入海中、成為主要的海洋廢棄物。最近研究數字顯示，海中塑膠垃圾的數量以對數成長，其密度已達每平方公里58 萬片。這些海洋垃圾可能使海洋生物因為纏繞、吞食無法消化、或者內含有毒物質致死。迄今，已有600 種海洋生物體內發現海洋垃圾。

於是，一群關心海鳥的科學家找出1962~2012 年間曾紀錄海鳥誤食垃圾的文獻，發現135 種海鳥中有80 種（59%）曾誤食海洋垃圾；個體方面則平均有29%。配合186 種海鳥的分布、覓食策略、體積大小、抽樣方法，再結合全球海洋塑膠垃圾的分布，模擬預測海鳥誤食海洋垃圾的高風險區。進而推論倘在今天進行此研究，預估90%海鳥個體的體內會有垃圾，到2050 年則有99% 種類的海鳥會誤食海洋垃圾。結論也提到，誤食垃圾風險最高的是在紐澳鄰近海域、海鳥種類分布最多的區域，並非海洋垃圾密度最高的水域。

試想，如果你有機會在2050 年到海邊賞鳥，每看到100隻就會有99 隻胃內有海洋塑膠垃圾，那是多驚人的景象？先回頭比較原文與媒體報導，「99% 海鳥」與「99% 種類的海鳥」就有不同，「種類」與「數量」是截然不同的定義。這是中文媒體在翻譯外文新聞時，未仔細查證的結果。其次，倘從數據反向解讀，海鳥中有41%物種（或71%個體）沒有誤食塑膠垃圾，從這個數字來看是否會比較安心？

此類研究屬於後設分析（Meta-analysis），利用多篇前人研究，將各文章之統計資料經過標準化等各種統計過程，得到整合性結果，提供世人對該議題的全面性了解。不過，我們可以從相關資料來源與方法，思考幾項此類環境議題研究的可能誤差：

Q1. 抽樣種類偏差？

從「種類」來說，全世界海鳥多達350 種，生態習性各有不同，對於掠食表層食物的鳥類，誤食垃圾的情況較嚴重；而覓食深層食物的海鳥，誤食垃圾比例較低。但該研究蒐集到的鳥種資訊未達半數，如何僅能依據半數海鳥的分布與誤食趨勢，就誇言另外半數的海鳥在未來30 年內也都將誤食海洋垃圾？

Q2. 抽樣地點誤差？

有關分布水域，結論認為海鳥誤食海洋垃圾的熱點在紐澳外海等南半球水域，然而，此觀點也顯示其可能為抽樣地點的誤差，因為紐澳水域海鳥種類眾多，相關研究也多。然而，該文章沒有交代相關論文的涵蓋水域或是各區域內的研究數量。因此，目前認為誤食比率較低的水域，其實可能是因為研究較少而造成，這部分仍尚待討論。另有科學家表示，在南極洋裡棲息有數量極高的海鳥（例如企鵝），但鮮少發現他們誤食塑膠垃圾，這部分可能歸功於南極條約的保護力，所以未若作者所言的嚴重。反之，在夏威夷群島研究信天翁的海鳥學者則認為夏威夷鄰近太平洋海域，才是海洋垃圾密度最高的地區，學者也見到越來越多住在中途島的信天翁幼鳥因為誤食海洋垃圾而亡，不認為熱帶水域相對比較安全。

Q3. 研究發表謬誤？

對於此類研究，都可能存在「研究發表誤差」，如果科學家蒐集到的海鳥胃內沒有誤食垃圾，則不具有發表效應，也不會有期刊接受此類「沒有保育價值」的文章。通常是情況越嚴重者，被接受的機率越高，長久以往，能夠見諸期刊的都是情況較危急的研究，因此，如果單純以研究報告分析，可能會造成高估。

這篇文章令人聯想到兩篇海洋保育界的文章，其一是在1990 年代，澳洲科學家發表一篇有關日本延繩釣漁船誤捕的海鳥數量，推估結果認為南太平洋每年因為延繩釣漁業而混獲的海鳥超過十萬隻，引起保育團體憂心忡忡，呼籲政府採取行動。為此，聯合國糧農組織召開多次專家諮商會議，並於1999 年通過乙份避免延繩釣漁業意外混獲海鳥之國際行動計畫，之後更因此成立「信天翁與海燕保育公約」，力推各項海鳥保育措施。但該研究僅利用一艘漁船在短短數個月期間、澳洲沿岸水域的混獲狀況。實際上，海鳥分布並非平均，漁船作業水域亦然。該文章忽略此現象，直接相乘結果造成此極大偏差，之後發表的文章也依據混獲變化情況下修數值。但不可諱言，因此引發的海鳥保育浪潮也的確發揮保育功效。

無獨有偶地，一群英美科學家在2006 年發表一篇文章，預估2048 年將無魚可吃，亦引起各方關注。即便受到一些海洋漁業學家的質疑，第一作者隨後也在2009 年發表文章表示此類過度漁撈的危機能夠被控制。不過，在2006年之後，因應該文章的論點而發起的許多海洋資源保育行動、生態標章等開始風行，相信對於資源保育仍有一定之成效。

所以，從研究方法觀點來看，該等論文或有可議之處，然而，不過才兩周之後，一篇類似的文章隨後於《全球變遷生物學》（Global Change Biology）期刊發表，該文以海洋垃圾與海龜分布區域的資料進行模擬，表示有52% 的海龜可能誤食海洋垃圾。開始有科學家評論這現象有如海洋版寂靜的春天，塑膠垃圾對於海洋的危害已經不下當年DDT 對於陸地環境的危害，我們應該採取積極的行動全面抵制、減少塑膠類垃圾的使用，這才是研究之後更深遠的呼籲吧！