外骨骼輔助義肢，讓身障者享受走路帶來的健康和快樂

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

2018 年 12 月，有名司機在西伯利亞新庫茲涅茨克的雪地中，找到了一隻大約四歲的俄羅斯貓貓 Dymka（俄語為「霧」），並將牠帶至新西伯利亞的診所。雖然牠因凍傷而失去了所有的爪子，但獸醫們 3D 列印出鈦材質的義肢代替牠失去的四條腿，所以現在 Dymka 可以重新生龍活虎地追趕跑跳蹦，甚至爬樓梯了！（灑花）

義肢獨秀——3D 列印技術重建貓掌

根據《莫斯科時報》報導， Dymka 獲救時爪子、耳朵和尾巴都已經凍傷了，獸醫 Sergei Gorshkov 不得不幫牠截肢。Gorshkov 說，在西伯利亞嚴酷的冬季裡，每間診所的獸醫至少會治療五至七隻爪子、耳朵和鼻子等部位被凍傷的貓，倘若凍傷情形嚴重，皮膚組織會死亡並需要截肢。

Gorshkov 和診所同事與俄羅斯托木斯克理工大學 (TPU) 的研究人員合作，為 Dymka 製造了一套義肢。 TPU 的代表表示，科學家開發了磷酸鈣製成的塗層，使鈦製義肢可以更順利地安裝並嵌入、融合進動物的腿骨中，同時讓感染和排斥的風險降到最低。

走出態度！恍若新生的鈦製義肢

研究人員對 Dymka 的腿進行電腦斷層掃描 (CT) 建模，並依此 3D 列印出鈦棒。根據《新西伯利亞新聞》報導 ，Dymka 於 2019 年 7 月植入了義肢，前腳為先，後腿次之。2019 年 12 月，獸醫診所在 YouTube 上傳了影片，內容記錄牠安裝義肢七個月後的生活，還有特寫鏡頭拍到了一些關於義肢的細節，可以從畫面中看出來，牠的「 腳掌」以柔軟的黑色材料製成，底部帶有紋理。

資料來源：

• 本文編譯自 Mindy Weisberger 所撰寫之科普報導 Cat with 4 frostbitten paws gets new feet made of titanium，刊載於 Live Science ( Jan 31,  2020 )

本文由科技部補助，泛科學獨立製作

在以往，身心障礙者只能倚靠輪椅或是助行器協助行走，但這些器材往往過於龐大，攜帶不便，而且對於顛頗地形適應不佳。ReWalk Personal 6.0 是一套外骨骼輔助義肢，能夠幫助身障者以接近原始走路的方式行走，讓身障者享受再次走路的感動。

ReWalk 將外骨骼輔具帶上街頭

Rewalk 系統的創始者亞米特高佛（Amit Goffer）不希望這些外骨骼義肢只使用於物理治療或是家中，他總是不停的想：「該如何才能讓這些器具融入社區？甚至走上街頭？」。ReWalk 機器人義肢公司的 CEO 賴瑞亞辛斯基（Larry Jasinski）也表示：「我們的目標就是讓外骨骼等輔助工具融入日常生活。」

美國已經通過先前 ReWalk 系統在臨床及個人的使用資格，讓脊隨損傷的身障者能夠使用外骨骼義肢協助行走。這也是第一套獲准如此多種使用權的外骨骼義肢，代表它將是第一個「走出醫院」的機器人義肢。亞辛斯基表示，已經有 66 位使用者將 ReWalk 買回家中使用。

 更符合人體需求

在基本機械運作上，新一代的 ReWalk 6.0 相較前代的差異不大：同樣用位於臀部與膝蓋的伺服馬達供給電源，並透過加速度器偵測使用者的移動。但在硬體上則有幾項重要的升級：腿部支撐器變得更為精簡，支撐帶能將身體重量更均勻的分布於義肢上，而原先放置處理器的背包，也被換成更迷你的腰包。

羅伯特是前幾代 ReWalk 的使用者，也給了許多改良建議給原廠。例如說先前的外骨骼支撐帶，其實很容易擦傷使用者的膝蓋。而新版的 ReWalk 設計，透過調整身體重量分配，已經成功改善這個問題。顯示了科技如果要進步，除了追求材料、製程或是微型化的進步，其實很多時候更需要的是聆聽使用者回饋的各種小問題，去調整、改善科技產品伴隨的副作用。

既然如此，外骨骼義肢的「好穿易脫」也就變得更重要了。ReWalk 把原先內外支柱的造型，改成只有外在支柱，並搭配環繞帶扣緊腿部，這種改良腿部支撐的方式，讓使用者能更容易穿上 ReWalk。使用者羅伯特表示透過增加腹部的支撐，他現在可以在盤腿坐時彎腰，不用再怕會往前倒，「我隨時都可以在 10 分鐘內站起來。」

除了硬體，ReWalk 6.0 也在軟體上做了改良。ReWalk 6.0 提供更平順的步行功能、更簡單的止步機制、以及更方便的上下樓梯動作。使用者也能透過穿戴式手錶，控制外骨骼的動作，像是坐下、站立、行走及爬階等。

除了輔助行走，還有更多益處

使用外骨骼義肢不是為了炫，相較於過去只能選擇坐輪椅，羅伯特發現他的身體機能在可重新走路之後獲得許多改善，他不再需要麻醉藥物，肌肉痙攣減少許多，消化、循環系統也都變得較健康。

和許多科技的誕生一樣，外骨骼最早應用於軍事用途，透過外骨骼裝置，能讓人跑得更快、跳得更高，甚而抬起重物、背負更多的裝備。現在，外骨骼義肢已經從醫院裡的物理治療室，逐漸走向街頭，也許未來會有越來越多的身障者，能在外骨骼義肢的幫助下，再度從輪椅、病床上站起，腳踏實地的感受每一步。

（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

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