3小時搞懂日常生活中的科學！【圖解版】

第二章 「打掃．洗衣．烹調」中拾手可得的科學

13 掃地機器人的頭腦聰明嗎？
掃地機器人打掃房間時，不但會閃避障礙物，而且即使有樓梯也不會掉落，結束後還會回到固定的地點。這麼聰明的祕密在哪裡呢？

掃地機器人有2種
搭載人工智慧的新型掃地機器人，大致可分成兩種類型。
第一種的動作看起來莽莽撞撞，毫無章法，這種類型是遇到障礙物時就會改變前進路線，同時就像是我們在黑暗中，會伸手探索房間狀態一般，掌握空間狀況。
乍看起來，它的行動像是隨機變換，但是它一邊前進，一面掌握方向，即使同一個地點經過好幾次，也不會有任何遺漏。
第二種類型會事先掌握房間大小和狀況，建立「地圖」，由人工智慧思考移動路線後行動。
這種類型有如具有意志般在房間內直線移動，有效率的進行掃除。因而，這種類型的打掃時間也比較短。

以探測器掌握大略環境的類型
現在市面上銷售的掃地機器人，大多都是用探測儀掌握環境的類型。
這種類型裝有觸碰感測器，超音波感測器或紅外線感測器，接近牆壁或障礙物時即可感應。因此它會一面接近碰觸牆壁或障礙物，一面改變方向，探索房間的狀態。條件反射式行動※1是它的特色。
而且，距離感測器會計算前進的距離、陀螺儀感測器可感應旋轉角度，掌握自己所在的位置。輪子打滑時加速度感測器會檢測到，從而修正行走距離。
以探測器先掌握大略環境，人工智慧再配合狀況，如遇到椅腳時，它便會沿著椅腳周圍打掃。

事先建立地圖的類型
這種掃地機器人使用的技術叫做SLAM※2。
SLAM是一種人工智慧，可同時進行地圖製作（mapping）和掌握置身位置（localization），藉此自行控制移動的技術。
具體來說，它會用光學照相機拍攝房間的天花板和牆壁，或向周圍射出雷射光、超音波和紅外線等，再依靠回傳狀況，測量自己與牆壁的距離，繪製房間的地圖。人工智慧會根據該地圖想出最有效率的移動方法後行動。
因此，它能在房間裡直線移動打掃，宛如具有意志一般。
但是，它所製作的地圖畢竟比較粗略，所以，偶爾也會有碰到椅腳的情形。這時它也會像前一種探測器掌握空間型那樣，在椅腳周圍繞一圈打掃。
換句話說，它就是探測空間型再加上製作地圖功能的掃地機。

掃地機器人為什麼不會從樓梯摔落？
另外，為什麼掃地機器人不會從樓梯摔落呢？其原因就在掃地機下方設置的紅色線感測器。這個感測器會測量與地板的距離，檢測樓梯或玄關的邊緣。
紅外線感測器能檢測出地板的凹凸，所以也能辨別地板與地毯的不同。走在地毯上時會自動提高吸力，也是紅外線感測器的功勞。※3
另外，行走到塵屑較多的地方，它會像是長了眼睛般提高吸力。只不過掃地機器人並不是用攝像頭等的「眼睛」來發現塵屑。
它的吸入口設置了光感應器，會偵測塵屑通過，或是在吸入塵屑時感應它產生的聲音（周波數）變化等，在吸入塵屑後，從感應到聲音頻率高低的不同變化而判斷出此處應有髒汙的狀況。
掃地機器人在清掃結束後，會自動返回充電座，這也是感應器發揮的作用。
充電座會發出紅外線，掃地機器人靠著紅外線的指引返回。紅外線的功能就相當於燈塔。
所以，掃地機器人是靠著各種各樣的感測器，進行清掃作業，不過感測器，還是得靠人類勤加清潔才能正常運作。

※1：自動依環境的條件來調整自己的動作。
※2：Simultaneous Localization and Mapping 的簡稱。
※3：紅外線感應器有對黑色（會吸收紅外線）或透明（紅外線會通過）物體無法正確辨識距離的缺點。因此，會發生碰撞黑牆壁或玻璃的情況發生。

第二章 「打掃．洗衣．烹調」中拾手可得的科學

18 「不沾平底鍋」為什麼不沾？
近年來，許多種平底鍋由於不會沾黏，在烹調上更為方便，而其中最有名的是鐵氟龍加工的製品。為什麼它能不燒焦黏鍋呢？

歸根究底，燒焦沾黏是怎麼形成的？
平底鍋看起來是乾的，但其實表面殘留著極少量的水分，這叫做吸附水※1。當食物放在鍋子上時，吸附水就與食物中的水分接觸，於是，食品中含水的蛋白質或糖與平底鍋的吸附水會相黏而黏在平底鍋上。這個狀態下持續加熱的話，黏著在吸附水上的蛋白質和糖就會開始凝固。這就是造成燒焦黏鍋的原因。所以，只要在鍋子上加工，讓吸附水不要與食物接觸，就不會沾黏了。原理是這樣形成的。
至於普通的平底鍋，通常是倒了油之後加熱，這是在食物水分與吸附水之間形成一層油，用這個方法來防止食物直接接觸。

氟碳塗料是什麼
鐵氟龍使用的素材叫做氟碳塗料※2，而說到氟碳塗料，最有名的莫過於科慕公司（前杜邦公司）在全世界最早開發出來的「鐵氟龍」。其他還有很多種類。每一種都有很多碳原子結合成化學鏈，大量的氟原子像葡萄般連結起來。
加工過的平底鍋，是用氟碳塗料在鋁或鐵製成的平底鍋包覆一層膜，或是混合在金屬裡。
氟碳塗料的特性，對幾乎所有化學藥品，都有安定的耐蘗品性※3，不容易摩擦的低磨擦性※4、把水彈開的潑水性※5等。它不但讓平底鍋表面不再有吸附水，同時也隔絕食物與鍋面直接接觸。因此，便不會燒焦黏鍋。
利用氟碳塗料的特性，不只是平底鍋，也可以用在一般鍋具、電鍋、電水壺、電烤盤、電纜線的包膜、傘、衣服等形形色色物品上。

安全耐久的使用方式
經鐵氟龍加工的平底鍋，在使用上需要注意三點。
(1)不可空燒，(2)不可急速冷卻熱鍋，(3)不要使用邊緣尖銳的鏟子。
鍋子空燒會導致鍋子溫度急遽升高，加工的氟碳塗料分解，有產生氣體，或塗料融化的危險。
而急速冷卻就是造成急速熱脹冷縮，使用尖銳的鏟子則易造成刮傷破壞表面，容易在表面產生裂縫或損傷，使得氟碳塗料脫落。
令人擔心的是，這些氟碳塗料的碎片或氣體，對人體是否有害這一點。
所幸氟碳塗料是非常不易反應的物質，在人體內既不會分解也不會吸收。因此即使吃進去，也會直接代謝掉。
但大量吸入氟碳塗料的氣體，對人體有害。目前已知會引起類似流感的症狀。但是，只要火溫在260℃以下，就不會發生，只要不空燒造成氟碳塗料材料過度高溫就不會產生問題。

※1：吸附在物質顆粒之間的少數水分子。
※2：鐵氟龍是加工平底鍋免於燒焦的材料。
※3：亦即不易腐蝕也不易起化學變化。
※4：亦即材料本身不易被磨損。
※5：亦即與水分子不會產生親和力、不易吸附水分子。

第五章 「尖端技術、交通工具」中拾手可得的科學

48 生物辨識真的安全嗎？
越來越多的智慧型手機和電腦，不再使用密碼輸入，而改用生物辨識來解鎖了。雖然很方便，但另一方面，難道不擔心個人資料的流出或遭到非法利用嗎？

生物辨識的種種
在動作片或科幻電影中，常常會出現先進的系統，利用眼睛的虹膜（瞳孔部分的紋路）或網膜的血管型態來驗證身分的場面。這種身分辨識的方法，稱為生物辨識（biometrics）。
這種技術，是使用我們身體的部分特徵，來驗證身分的方式，像是用攝影鏡頭拍下臉部，或用指紋讀取機掃描手指等。它會抽出眼鼻等五官的位置、形狀，指紋的漩渦、紋路位置、彎曲的方式等特徵，再用電腦比對事前保存的特徵和攝影畫面，進行判斷分析。
Windows10的生物辨識功能「Windows Hello」，則是利用電腦內建的攝影鏡頭，拍攝使用者，或是用指紋讀取機驗證身分，就可以解除電腦的鎖。此外，採用安卓系統的智慧型手機，也有用本人的聲音辨識來解鎖的機種。
最普通的辨識方法是利用指紋辨識，但是，最近也有部分智慧型手機引進虹膜辨識的例子。想必今後也會看到更多運用生物辨識的場面吧。

生物辨識的優點
生物辨識利用本人具備的身體特徵，所以優點是不需要記憶密碼，也不用每次輸入。也不用隨身帶著金融卡或印鑑。此外，卡片或印鑑也有可能被偷，但是偷不了本人的臉和手指。
日本部分銀行運用了這個優點，自2016年開始，進行使用ATM只能指紋辨識的實證實驗。

生物辨識的問題
另一方面，生物辨識又有什麼樣的缺點呢？
我們的臉型會隨著年紀增加而變化，容貌也會因為化妝而有很大的改變。此外，指紋也會因為手指粗糙、手髒而在比對時出現錯誤的情形。
如果調整成身體特徵變化也能辨識的系統，卻又出現與相貌特徵相似者搞混的危險性。
例如，利用臉部辨識的舊型生物辨識系統，無法區別同卵雙胞胎。

沒有偽造或盜用數據的危險嗎？
如果能用大頭照、錄音、虹膜影象、採指紋再重製的假指紋通過辨識的話，偽造就可能比印鑑還要簡單。
我們使用的手機或數位相機，現在解析度都非常高，平常隨手攝影、登在社群媒體上的照片，會不會被人盜用作為臉部、虹膜、指紋等生物辨識的資料呢？有專家如此憂心。
因此，使用從外部看不到的網膜血管、手掌或手指靜脈分布等的系統，也逐漸實用化。
臉部辨識方面，為了克服缺點，也設計了抽出不受化妝或年老變化而影響的特徵，並建立防偽機制。
前面提到的「Windows Hello」，無法用照片或影片通過辨識，並且採取登錄多次數據，以提高精確度的解決方案。藉著這個方法，抽出人類難以判斷的細微特徵，因而具有連同卵雙胞胎都能區別的精確度。還有一種系統能學習增齡產生的變化。
另一方面，臉部照片或指紋樣式保留在處理圖像的系統裡時，一旦駭客侵入盜取的話，很有可能用於辨識同一式樣的系統會一起受害。
因此，現在對資料盜取的防禦措施也提高很多，不再直接保存數據，而是將特徵數值化、密碼化再保存起來。這樣一來，即使數據流出，也能避免遭到違法的使用。
新技術雖然很方便，但不能說百分之百安全，民眾還是要謹慎使用，切勿盲目信賴。

第二章 「打掃．洗衣．烹調」中拾手可得的科學

13 掃地機器人的頭腦聰明嗎？
掃地機器人打掃房間時，不但會閃避障礙物，而且即使有樓梯也不會掉落，結束後還會回到固定的地點。這麼聰明的祕密在哪裡呢？

掃地機器人有2種
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第一種的動作看起來莽莽撞撞，毫無章法，這種類型是遇到障礙物時就會改變前進路線，同時就像是我們在黑暗中，會伸手探索房間狀態一般，掌握空間狀況。
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各位讀者好。
本書是為下列三種人寫的書。
．對理科（科學）不擅長但有興趣的人。
．想了解生活中各種製品的構造！
．想了解生活四周應該注意的事！
我們的生活受惠於科技，變得方便又舒適，但幾乎是在黑箱的狀態下使用它，它的內部是什麼樣子？架構如何？卻一無所知。
本書的編撰成員，都是《RikaTan（理科的探險）》理科雜誌的編輯委員，這份雜誌的宗旨是「看科學、懂科學、玩科學」，雜誌的企畫與編輯都在努力向世界展現：「理科（科學）真的很有趣！」
因此，這裡挑出55個主題，試著將它們「盡可能解說得簡單易懂」和「讓讀者明瞭這裡面有著這樣的架構」。
雖然編撰者不只一位，但為了營造出統一感，所以初稿寫好後，大家會一起討論，也常常大幅度的改寫，讓本書看起來就像是「由一位可以簡單說明事物構造的人全部撰寫」的質感。
不擅長理科（科學）的讀者，是本書最關注的對象。
坦白說，黑箱化的事物構造，即使不知道也能活得好好的。很多製品只要會用按鍵開／關就能使用。即使如此，我們還是認為「了解這些小知識，會有幫助、有用處，讓人深感還好早知道。」
如果各位看完本書，真的實現了我們這個心願，則不勝快慰。
最後，明日香出版社的田中裕也編輯代表所有不擅理科（科學）的人，對各編寫者的稿子不斷挑毛病，督促改善，並且辛苦的完成編輯作業，我要在此向他獻上感謝。

各位讀者好。
本書是為下列三種人寫的書。
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．想了解生活四周應該注意的事！
我們的生活受惠於科技，變得方便又舒適，但幾乎是在黑箱的狀態下使用它，它的內部是什麼樣子？架構如何？卻一無所知。
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第一章 「生活」中拾手可得的科學
1 沒有葉片的電風扇，如何製造出風呢？
2 冷暖空調如何產生舒爽的空氣？
3 紅外線暖桌發出的光為什麼不是紅色的？
4 遙控器如何傳送指示？
5 電插座的插孔為什麼左右不一樣大？
6 碳鋅電池與鹼性電池有什麼不同？
7 人類發出的熱量等同於一個電燈泡
8 LED照明的電費會是螢光燈的一半？
9 CD、DVD、BD是如何記錄聲音與影像？
10 液晶電視如何映出影像？
11 4Ｋ電視能提供多好的畫質？
12 什麼是下世代螢幕有機EL？

第二章 「打掃．洗衣．烹調」中拾手可得的科學
13 掃地機器人的頭腦聰明嗎？
14 洗潔劑放太多也沒有效果？
15 加酵素的洗潔劑與一般洗潔劑有什麼不同？
16 微波爐如何加熱食物？
17 冰箱如何保冷？
18 「不沾平底鍋」為什麼不沾？
19 壓力鍋為什麼能在短時間做出可口的料理？
20 IH電磁爐如何加熱烹調？

第三章 「舒適生活」拾手可得的科學
21 日本的硬幣是用哪種金屬製造的？
22 「會隱形的原子筆」並不是擦掉墨水
23 抗菌用品真的有效果嗎？
24 紙尿布為什麼吸滿水分卻不會漏？
25 電子體溫計為什麼只要用幾十秒就能測出溫度？
26 最近的抽水馬桶也會發電？
27 「防霧鏡」為什麼入圍諾貝爾獎？
28 冒出碳酸氣泡的入浴劑有效果嗎？
29 體脂肪計在剛洗完澡時會出現誤差？
30 發熱衣那麼薄為什麼穿了卻很暖？

第四章 「健康．安全管理」拾手可得的科學
31 紫外線有助於鈣的吸收？
32 營養飲料有多大的效果？
33 氫水只不過是一般清涼飲料？
34 殺蟲劑、防蟲劑、除蟲噴劑對人體無害嗎？
35 「混用有危險」如果混合的話會怎麼樣？
36 感冒藥不能消滅病毒或細菌嗎？
37 為什麼流感會在春天大流行？
38 如何防止靜電的「啪嚓」感電？
39 幼兒誤食異物該如何處理？
40 為了防止熱休克死亡，最好在晚飯前洗澡？
41 冬季頻傳的一氧化碳中毒該如何防範？
42 發生火災的「發火點」與「引火點」是什麼？

第五章 「尖端技術、交通工具」中拾手可得的科學
43 太陽能電池如何發電
44 無人機與遙控直升機完全不一樣？
45 GPS如何鎖定位置？
46 3D列印是如何「列印」的呢？
47 IC卡或非接觸充電是怎麼做到的？
48 生物辨識真的安全嗎？
49 條碼或QR碼的原理是怎麼樣的？
50 手機如何連接網路？
51 觸控板如何測知手指的動作？
52 如果在行駛中的捷運裡跳躍會怎麼樣？
53 新幹線車頭為什麼像鴨嘴一樣突出？
54 飛機為什麼能飛上天空？
55 節能車的「節能」是怎麼樣的架構？

第一章 「生活」中拾手可得的科學
1 沒有葉片的電風扇，如何製造出風呢？
2 冷暖空調如何產生舒爽的空氣？
3 紅外線暖桌發出的光為什麼不是紅色的？
4 遙控器如何傳送指示？
5 電插座的插孔為什麼左右不一樣大？
6 碳鋅電池與鹼性電池有什麼不同？
7 人類發出的熱量等同於一個電燈泡
8 LED照明的電費會是螢光燈的一半？
9 CD、DVD、BD是如何記錄聲音與影像？
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11 4Ｋ電視能提供多好的畫質？
12 什麼是下世代螢幕有機EL？

第二章 「打掃．洗衣．烹調」中拾手可得的科學
13 掃地機器人的頭腦聰明...