「頭殼壞去」真的沒救了？讓微型電子網格進入體內修復大腦

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

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

艾瑞克索圖（Erik Sorto）是一名癱瘓十年的身障者，但他同時也是類似患者們的新希望。2013 年艾瑞克不顧家人反對，毅然報名接受了一場腦部手術。現在的艾瑞克有如科幻小說中的角色，只要他想像抓取東西的樣子，安裝的機械手臂就會執行他的命令。

過去雖然也有少數身障者透過腦機介面（brain-computer interface，簡稱 BCI） 操控機械，但這些受試者的植入體，所接受的信號多來自連結脊椎與肌肉的前運動皮質區，只能被動記錄訊號。而艾瑞克是第一位在後頂葉皮質層內（產生肢體運動意念的區域）植入晶片，讓機械主動理解使用者意圖的人。

加州理工學院的神經科學教授、也是這次實驗的首席研究員理查安德森（Richard Andersen）解釋，從使用者的意圖出發，不僅較符合人性，也能讓機械手臂作用的速度更快，艾瑞克所做的是讓機械手臂理解他的最終目標，而不是操控所有運動細節。舉例來說，當我們伸出手臂拿起一杯水時，你不會去思考每一個關節或肌肉該如何伸展、或拆解每個動作，你只想著要拿到那杯水而已。

透過數據累積，讓手臂知道你想做甚麼

在研究初期，研究人員先透過核磁共振技術，觀察當艾瑞克產生抓取等動作等意念時，頂葉皮層內兩個最活躍的區域。在此之後便植入 2 個微電極陣列，裡面各自包含 96 個電極，能夠記錄單一神經元的活動。此外，在艾瑞克的頭骨上有兩個金屬基座，能夠接收電極收到的信號，並連接機械手臂。

術後一個月，艾瑞克就開始了與團隊的合作。在第一個實驗中，工作人員先做出某些手勢，讓艾瑞克在腦中想像、模仿做出這些動作的感覺，並藉由不同的動作，觀察哪些神經元會對特定動作有反應。長期研究下來，團隊能夠不斷校準神經元與動作間的關係，針對位置、移動軌跡及特定運動等類別歸納出一套演算法。此外，安德森表示，即使系統沒有接收到完整的信號，也能透過演算法與過去的數據，自動補足需要的信號，這也會讓使用者操作起來更便利，減少失誤的次數。

頂葉皮質會是最佳解答嗎？

過去腦機介面（BCI）的開發，多根基於美國布朗大學腦科學研究所主任約翰多諾霍（John Donoghue）對運動皮質的前瞻研究。­多諾霍認為這次的實驗確實證明了頂葉皮質可以提供較有用的信號，但現階段他無法肯定頂葉皮質就是念動控制最好的選擇，因為目前的實驗成果雖好、但還不夠好，團隊尚未得知如何得到更精準的控制手段。

實驗的首席研究員安德森也曾提議結合來自運動皮質與頂葉皮質的兩種訊號，透過交叉判斷讓機械手臂的判讀更清晰，然而多諾霍則表示，結合不一定會帶來增值效果。他提到，當我們試圖用手拿起杯子時，會用到多達 80% 的大腦，上述兩種皮質只占了一部分，且傳遞出的訊號其實相當類似，因此不排除其他部分的大腦有可能蘊藏了更關鍵的數據。

依然努力著的艾瑞克

在學界熱烈討論的同時，艾瑞克仍舊繼續著他與機械手臂間的實驗。在這兩年中，他的熱情絲毫未減，並致力提升操控的精準度，他練習玩了 6700 多次的剪刀石頭布，因為這些對常人而言簡單的動作，都是重要的突破。雖然過程辛苦，但艾瑞克終於在今年實踐了他長久以來的目標：透過機械手臂拿起啤酒，並暢快的痛飲一番。未來，他還想嘗試刷牙、刮鬍子等更精細的動作。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

在1966上映的電影《聯合縮小軍》中，劇情講述一群科學家透過高科技將自己縮小，乘著飛船進入人體中進行治療的冒險故事。雖然電影年代久遠，許多鏡頭與畫面在今日看來有些荒唐，但仍能看出人們對迷你世界的想像與野心。時至今日，雖然我們還無法將人縮小，但在醫療領域，小到足以進入人體執行治療任務的技術已經不是科幻小說中的空想，而是正在實踐的理想。

終極目標：實用醫療

過去十年，已經陸續出現各種研究成果，例如由公牛精子與細菌推進的微型機器人、如海星般遇熱能緊密關閉的顯微夾具、由藥丸包裹的可控制磁球、由胃酸驅動的馬達以及能夠在眼球玻璃體中前進的扇貝型微機械。

這些案例有些還躺在實驗室，有些則已經進入動物實驗，科學家們的終極目標則是投入實用醫療領域。期望這些技術能夠應用在放射性藥物針、清除血塊、組織篩檢、在支架上培養新細胞等等任務，醫界期望能夠在「及早預防」與「精準治療」兩個領域有所突破。

當然，夢想的路上還有許多障礙要克服。在微觀尺度下，科學家們必須重新思考機器人運作的方式。其中又以續航力與動力最為棘手。此外還必須確保這些微小裝置沒有毒性，以免傷及組織，並設計一套在任務完成後，安全分解或離開身體的方式。

如何維持續航力？

關於續航力的問題，微型化不利於傳統的化學電池技術，因為一旦物體小於一毫米，電池的容量就會急遽下降。其中一種替代方案是「無線電力傳輸」，透過無線電波獲取電力，從體外進行發電。但這種做法仍須面對微型化挑戰，因為機器人需要有能夠接收電波的天線，且天線不能太小，同時也要確保電源與裝置的距離不能太遠，避免收不到信號。

此外，也有團隊研製出不帶有電源與天線的「變形細菌芯片」。在芯片兩端有兩個電極，當芯片遇到胃酸變形時，電極便會結合並透過化學作用獲取5～10分鐘的短暫電力。在這期間，裝置本身可以有足夠的電力來發送一組識別碼到肌膚表層的接收器上。

找到持續推進的動力

面對續航力的限制，工程師勢必要尋找新的途徑來讓裝置得到推進的動力，才能到達身體內的目的地。其中一個選擇是透過微型的化學火箭，經由特定反應對象獲取能量，例如胃酸。研究人員也正積極探索生物技術，例如藉由在組織間游動的細菌、或是隨著特定分子的濃度變化信號而前進。

在某些情況下，也可能不需要任何能量載體。約翰霍普金斯大學的大衛格拉西亞斯（David Gracias）與其同事，已經開發出一種星型的微型鉗，能對環境因素產生反應，例如溫度、pH值、或是特定酶的濃度。偵測範圍在直線距離500微米以內，當偵測溫度靠近人的體溫時，微型鉗就會關閉。只要擺放的位置得當，微型鉗便能採集周遭的組織，進行篩檢。微型鉗的應用，可提供慢性腸道疾病患者一種新的篩檢選擇。

格拉西亞斯表示，患者可以透過「服用」大量的微型鉗，讓裝置直接抵達腸道，增加篩檢取樣的面積。與之相對，醫生也能從直腸直接注入微型鉗，稍後再經由患者的糞便回收採樣結果。

精準投放的困難

胃腸道系統相較於其他器官，到達的門檻較低，且能搭配排遺回收裝置。但其他如眼、腦、血液等組織，前往正確位置的難度就高上許多，需要更為複雜的機械設計。

來自蘇黎世聯邦理工學院的布萊德利納爾遜（Bradley Nelson）正致力於視網膜的微型治療裝置。他表示，即使是能夠感應溫度和PH值的最先進微型機器人，都難以抗衡血液中強大的電流，因此這些裝置需要更好的「嚮導」。雖然納爾遜的團隊目前已經能讓攜帶藥物的裝置在視網膜中慢慢擴散，但最終僅有少數能到達患部。團隊希望能夠未來提高投放的精準度，進一步減低藥物的劑量，以減少副作用。

目前採用的解決方案，是在裝置外圍添加磁性材料，並透過核磁共振機器，引導裝置到達目的地，此舉已在動物實驗獲得成功，但納爾遜仍想尋找其他不需動用到巨型電磁鐵的方案。目前團隊除了摸索如何透過磁力線圈控制裝置運動所需的物理、數學機制，也開始研究大腸桿菌的鞭毛推進模式，希望將人工鞭毛技術結合到現有的裝置上。

（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫－智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）

責任編輯：鄭國威
審校：陳妤寧

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

微型電子網格能夠如何助神經科學一臂之力？「不同於以往嵌入到體內的一般晶片，機械生物（Cyborg-type）型態的裝置， 將在不久的將來實現。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏（Charles Lieber）表示。根據目前植入到實驗鼠大腦中的結果顯示，微型電子網格未來可能可以替人操控義肢、義眼、甚至是協助修復大腦損傷、幫助受損組織的細胞再生。

先縮小，再還原

聽來驚悚，微型電子網格究竟要怎麼進到一顆腦子裡呢？其實只要打針就可以了。實驗團隊從矽奈米線（silicon nanowires）中製造出場效電晶體（field-effect transistors），發現當這些微型電晶體被放置在液體中的時候，會「蜷縮」起來變得更微小。

於是他們將場效電晶體放進食鹽水、並用針筒將食鹽水注射到實驗鼠的大腦中。在注射完成的一個小時後，場效電晶體就會延展、恢復為原本的形狀。「這個手法其實在生物和藥學的領域很常被用到。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏（Charles Lieber）表示。

其實 2012 年時，李柏的團隊就打造了可被神經、心臟以及肌肉組織依附生長的矽奈米線支架（silicon nanowire scaffolds），藉此測試這些細胞會如何對外來刺激做出反應。這次新研發出來的微型電子網格同樣是由矽所製成，但外觀更加扁平、形狀更近似於平行四邊形，這些特性都讓它更容易在浸泡至食鹽水時可以蜷縮至小於針頭的直徑。

覺得「遇水則縮」聽起來沒什麼了不起的嗎？那麼來看看這些微型電子網格原本有多大吧－大約為 3 到 4 公分寬，是針頭直徑的 33 倍大！

微型電子網格如何和體內組織好好相處？

想當然耳，「能伸能屈」對於微型電子網格是種非常重要的能力，微型電子網格必須具有彈性，才能和腦部組織互相接合。唯有電子網格能夠保持足夠的柔軟，才能確保它不會傷及體內組織、減少副作用、避免免疫反應發生。
奈米電子學的目標是要能夠擔任細胞外基質的角色去「抱住」細胞們。在李柏的團隊和實驗鼠的努力之下，發現微型電子網格可以和腦細胞良好的結合，甚至可以幫助修補中風或脊髓受損造成的損傷。「這幾乎是達成一種『人工突觸』的程度了。」李柏表示。

看看過往瓶頸，想想未來展望

微型電子網格可扮演感測器的角色，測量藥物如何幫助心臟更加順利跳動。在這種情況下，這類型裝置的最大挑戰都在於促成電子和細胞之間的通訊。以目前的醫療科技發展，醫生其實已可運用電極裝置，去測量大腦或肌肉發出的訊號來嘗試控制義肢，但使用電極裝置的副作用也不少。以為了深度刺激帕金森氏症患者腦部的微型電極裝置為例，疤痕會引起絕緣問題，一旦如此醫生就必須不斷調整電極的位置並重新發出電波訊號，而導致患者的不適。

目前實驗團隊仍在測試微型電子網格能否維持到 3～6 個月的穩定度。而這項技術若要真正被實踐在人體上，恐怕還需要數年的時間。李柏對於未來的技術發展充滿期待，例如幹細胞是否能隨同網格一同注射、或是直接改變網格表面的化學物質讓他們和特定細胞互相結合、或是建造更複雜、但也更高能力的網格。

「如果微型電子網格的能力越高，我們就能對它的應用有越多想像，例如在不用針頭插入的狀況下，就可以藉由植入奈米裝置來監測糖尿病患的胰島素狀況，或是，使用感測器來持續追蹤心臟病風險群病人的血小板生成。」李柏說。