每天有上百万升尿液溅出小便池，科学家决定改造厕所

“向前一小步，文明一大步”这句标语，想必男性读者们都不陌生。它常常出现在公共卫生间的小便池处，提醒使用者尽量靠近小便池，避免尿液“出界”。 但你或许已经注意到，即便已经小心翼翼、站得足够近，尿液冲击小便池时还是会四处飞溅，让人不胜其扰。

可别小看这些飞沫。据研究人员估算，仅仅在美国，每天因小便池飞溅出的尿液就高达百万升量级！这些飞溅的尿液不仅会弄脏地面，形成尴尬的尿渍，还可能以气溶胶形式扩散，飘散到更远的地方，污染大片环境，更要命的是：它甚至可能沾染到你自己身上。

有没有办法减少尿液四溅的尴尬呢？今年4月，加拿大滑铁卢大学的研究人员在《美国科学院院刊·连结》（PNAS NEXUS）上发表了一篇论文，他们设计出了一种特殊形状的小便池，能将尿液飞溅量减少到普通小便池的1.4%，这简直是男士们的福音！

“文明”的角度

如果你仔细观察，会发现狗狗在树旁或墙根撒尿时通常会保持特定的角度。而且，狗狗撒尿时几乎也不会溅到自己。那么对人来说，是否也存在一个最佳角度，让尿液以这样的角度射入小便池，就能最大程度地减少飞溅呢？这个问题引起了研究人员的兴趣。

通过计算和实测，研究人员发现：当尿液撞击小便池的入射角小于等于30°时，飞溅量可以降至最大值的5%以内。这一发现让他们意识到，只要能让尿液始终保持在这个“黄金角度”范围内，人们就能告别尿液四处飞溅的尴尬。因此，研究团队希望能设计出一款满足这种角度要求的小便池。

最终，他们研制出了两款革命性的小便池，研究人员将它们分别命名为“丰饶角”（Cornucopia）和“鹦鹉螺”（Nautilus）。“丰饶角”小便池的特点是开口较小，呈倒三角形，能将尿液入射角稳定在30°左右。而“鹦鹉螺”小便池则开口较大，呈长条状，能让入射角保持在30°甚至更低。相比之下，市面上常见的小便池，以及马塞尔·杜尚（Marcel Duchamp）那件著名的小便池艺术品《泉》（Fountain），都无法做到这点：尿液的入射角可能从0°到90°不等，飞溅几率大大增加。

为了验证这些小便池的防飞溅效果，研究人员开展了模拟实验。他们用一款仿造人体尿道结构的喷嘴，向小便池中喷出带颜色的水流，以模拟排尿过程，并在地面铺设了白纸，用来记录“尿液”飞溅的痕迹。通过比对纸面上色彩的分布范围，他们就能直观地量化不同小便池的飞溅程度。

结果对比十分明显：当模拟一名中等身高男性、以高流速排尿时，现代商用小便池会将“尿液”溅出0.5米远，而杜尚《泉》中的小便池更是能溅到一米开外。而在“丰饶角”和“鹦鹉螺”这两款新设计的小便池周围，研究人员几乎没有观察到任何飞溅的液滴，简直是质的飞跃。

虽然这两款小便池在防飞溅方面都表现出色，但研究人员还是更推荐“鹦鹉螺”小便池。因为它采用了独特的长条形设计，能满足各种年龄和身高的使用者，甚至连轮椅使用者也能方便使用。此外，它更大的开口设计也让小便池的清洁工作变得更加轻松，这在日常维护中可是个不小的优势。

研究人员估算，如果将美国现有的5600万个小便池全部更换为“鹦鹉螺”，那么每天可减少约100万升尿液飞溅。更重要的是，清洁这些飞溅的尿渍还需要大量用水。如果按清洁1升飞溅的尿液需用10升水来计算，那么这种设计每天还能节省高达1000万升的清洁用水，堪称环保与卫生的双赢之选。

开发出这两款优秀的小便池后，研究人员甚至还反其道而行之，设计出了一种让尿液“必定飞溅”的表面。也就是说，无论使用者从哪个角度排尿，入射角都会是90°，确保液体强烈反弹。他们之所以提出“反人类”的设计，是因为如果把这种表面安装在户外，就有可能有效地阻止随地小便的行为。毕竟，谁会想让尿液不停飞溅到自己身上呢？这不失为一种“以尿制尿”的奇招。

小便科学

其实，这并不是科学家第一次试图解决小便池尿液飞溅的问题。这篇论文的通讯作者潘兆（Zhao Pan，音译），其早年的导师、如今身为沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）助理教授的塔德·T.特拉斯科特（Tadd T. Truscott），曾经成立了一个专门的“飞溅实验室”（Splash Lab）。顾名思义，这个团队致力于研究各种与液体飞溅相关的现象，尿液飞溅自然也是他们的关注对象之一。

早在2013年，特拉斯科特还在美国杨百翰大学（Brigham Young University）时，就曾带领团队深入研究小便池的动力学。他们搭建了一套系统，用软管模拟健康男性的排尿压力与流速，并3D打印出了逼真的尿道模型。随后，他们模拟了男性小便时尿液进入小便池的过程，并用高速摄像机记录下了每一个飞溅的瞬间，力求从科学层面揭示飞溅的秘密。

通过实验，研究人员总结出了一些实用的小技巧，可以帮助人们减少使用现有小便池时的飞溅问题。首先，瞄准垂直面比瞄准水平面更不容易引发飞溅；其次，减小入射角（比如侧身或向下倾斜）能有效降低尿液的冲击力，避免尿液反弹到自己身上；最后，要尽量靠近小便池，因为离小便池越近，尿液在接触池面时越能保持连续的流体状态。如果距离太远，尿液会因为“普拉托-瑞利不稳定性”（Plateau–Rayleigh instability）而分散成许多小液滴，这些液滴冲击池面时会产生更多飞溅。

当然，除了使用者的应对方法，科学家也在不断优化小便池设计。早在2015年，特拉斯科特团队就深入研究了各种防溅装置。最终，他们从一种在极端干旱环境中生长的超强吸水苔藓——齿肋赤藓（Syntrichia caninervis）的表面结构中获得了灵感，设计出了一种具有超强吸水能力的小便池内嵌结构，他们形象地称之为“尿液黑洞”（Urine Black Hole）。

仅仅是小便池尿液飞溅这样一个日常生活中司空见惯的小现象，就能激发科学家无穷无尽的思考和发明。从流体力学原理到仿生学应用，科学的魅力就在于它能深入探究并解决我们身边看似微不足道的问题。你是否也有一直希望解决的生活困扰呢？或许它们也能成为激发科学灵感的源泉！