有四組物理學家團隊各自想出了類似的可以達到牽引光束效果的想法。方法是使用一種貝賽爾光束，它是一種特殊的光束，由許多與光束方向有相對角度重疊的光波所組成。一般光束會施加一個推力在物體上，貝賽爾光束施加的力都比一般的光束還少。為克服仍存有的微小推力，被移動物的材質特性和光束內單獨光波的偏振性、同時性都被調整，以至於物體可以輻射出更多沿著貝賽爾光束前進的光，而非向著光源的。被輻射的光就像是反方向的推進器，推力比貝賽爾光束更為強大。然而，所造成之拉力不足以拉動一艘太空船，不過一粒鹽倒是可以。這種現象已足以操作細胞大小級的生物標本。
資料來源：PhysicsToday: Star Trek-style tractor beams may be possible [ November 15, 2011]
作者：Eric Chiu
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。
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：
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：
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。
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）」：
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。
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：
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。
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：
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。
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
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你還記得科幻電影裡，當飛碟要接收物質或人員時，會直接從空中打下一道牽引光束來將目標吸上去嗎？（想想Star trek或是魔神英雄傳的龍王號）而現在，科學家真的做出了一台類似牽引光束的機器，不過是水波的版本～
讓我們先試著思考一下，當波由波源發射，一個在其路徑上的物體會往那裡跑呢？最直覺的想法，通常是物體會順著波前進的方向跟著移動，就像是沙子會被海浪沖上岸，或是衝浪者會順著海浪往岸邊靠一樣；但科幻電影中的牽引光束卻與這樣的想法完全相反，當牽引光束由飛碟發射，被照到的物體反而會像是被吸引般，朝著波源的方向移動。這真的有可能做到嗎？澳洲國立大學（Australian National University, ANU）的Michael Shats團隊設計了一套水波發射裝置，可以實現上面所述，直覺上看似不可能的牽引效果。
在實驗中，他們以乒乓球作為漂浮物，利用簡單的起波器，透過調整頻率和振幅來製造出特殊的波形，進而控制球的漂移方向：
「我們發現，這些複雜的、三維的波，會在水的表面構成特殊的波形。除了可以達到牽引的功能，也可以控制乒乓球往其他方向移動」Michael Shats說道。
目前對於這樣的水波形態研究，尚沒有成熟的數學模型來描述，這點不論對於該研究作者，或是對於筆者來說，都是一件十分驚訝的事。期望在不久的未來可以針對這樣的系統，與其波形移動造成的運動模型，有更加深入詳盡的分析。當我們可以深入了解背後的「為什麼」，才能有效調整其程式設計，創造出各式各樣能讓物質運動的波，進一步應用在，像是收集海上浮油等用途上。
延伸閱讀：
參考資料：Generation and reversal of surface flows by propagating waves, Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3041
資料來源：Physicists create water tractor beam [PHYS.ORG, August 10, 2014]
紐約大學的 David Ruffner 與 David Grier 已開發出一種技術，利用 Bessel 射束（Bessel beams）將一個粒子朝來源拉過去。在他們發表於 Physical Review Letters 的論文中，他們描述如何使用他們的技術，將大小為 30 微米、懸浮在水中的二氧化矽球體拉向一個雷射光源。
一種利用能量將一物體朝光源拉過去的裝置因知名 Star Trek 中的虛構技術而被稱為「牽引光束（tractor beam）」。此類裝置迄今尚不存在，但 Ruffner 與 Grier 所完成的這項新研究證明，那是有可能辦到的！他們的研究是基於某種形態的雷射，稱為 Bessel 光束（譯註：Bessel 射束也可以是聲音輻射或重力輻射）。
Bessel 光束，以其創造者 Friedrich Bessel 為名，是某種雷射，那將光引導成圍繞某一單點的同心圓，而非成為一道光束。不像一般的雷射光束，來自 Bessel 光束，在其光點上的光不會繞射（diffracted，衍射），而且因為此光點是由來自同心圓的光所形成，如果它遇到路徑中的某一物體， 它能夠再形成（reform）（光點）。該團隊發現，此特性讓它夠拉動一粒子。
去年，一支中國的研究團隊算出，有可能將 Bessel 光束指向一粒子並以下列方式微調之：使光擊中前端後再形成，再成形然後擊中後端（to have the light that reforms after striking the front end, reform and strike the back end），那在理論上應當將粒子往回推向光源。最後結果看起來應該像是一道牽引光束。
在發現他們無法將 Bessel 光束調整到需要移動一粒子的程度後，Ruffner 與 Grier 試圖使用二道 Bessel 光束 — 以一個透鏡使光束稍微彎曲，導致它們重疊。那導致一種閃光燈效應（strobe effect，頻閃效應），光在粒子後端交替亮、滅，提供足夠能量將它朝原光源回推。最終結果是一套設備，以人眼觀看時，會產生把粒子朝來源裝置拉過來的錯覺，換言之一道牽引光束。
這兩人所建造的牽引光束將需要很多很多能量才能擴大到允許移動大型物體，而且如果這樣的裝置被造出來後，很可能在牽引過程中就會將這些物體摧毀。但那確實暗示，若使用其他能量強度較少的光源，這樣的裝置也許有可能會成真。
資料來源：Physics duo create tractor beam using dual Bessel beams. Phys.org [October 22, 2012]
轉載自 only perception
