101.07.25 中央通訊社
打破傳統馬達的概念 成大趴趴走壁虎 讓居住空間實體互動更智慧化
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打破傳統馬達的概念 成大趴趴走壁虎 讓居住空間實體互動更智慧化
(中 央社訊息服務20120725 17:27:21)由國立成功大學機械系教授蔡明祺所率領的跨領域研究團隊，執行國科會三年期整合型計畫的『模組化無線感測與致動器設計及其智慧化居住空 間之應用』計畫，已成功研發出「磁吸式壓電致動器（又稱趴趴走壁虎）」，把「顯示媒體互動」演變到「空間實體互動」之可回應建築空間，堪稱是新一波電腦、 控制感測、機械與建築的大整合。
「磁吸式壓電致動器（又稱趴趴走壁虎）」，具有體積小、慣性小響應快、低轉速高轉矩、高保持轉矩、結構簡單之特性，可用在精密定位設備、自動對焦的照相機等，加上無噪音、無電磁波，非常適合需要安靜或是易受到電磁干擾的場所。
磁吸式壓電致動器主要構成為壓電材料，其運轉原理主要利用壓電材料輸入電壓會產生變形的特性，並產生超音波頻率的機械振動，再透過摩擦驅動及預壓的機構設計，讓壓電馬達如同電磁馬達一般，可做旋轉運動或直線式移動。
由 於壓電馬達是透過摩擦驅動，因此預壓力顯得相當重要，然而傳統壓電馬達大多採用機械式彈簧片來產生預壓力，易因接觸磨耗造成運轉性能降低，速度操控範圍不 大。而磁吸式壓電致動器乃是結合電磁(鐵磁性)與壓電(鐵電性)的特性，提出一種具磁吸預壓力的創新型壓電馬達結構設計，主要利用磁吸的超距力來產生預壓 力，以降低磨耗並提昇馬達性能，另配合應用場合，透過氣隙或電流來進一步調控預壓力大小，具彈性化設計概念。
另透過磁吸預壓設計，可打破傳統馬達結構中，機械軸承與自由度的關係限制，達成無軸式的壓電馬達設計。此創新型壓電馬達是透過磁吸預壓，僅需要運行於導磁材料上，相關材料來源取得也相當容易，可大幅降低製造成本。
再 者，創新型壓電馬達具易模組化特性，若加裝無線驅動模組，因具有磁吸力，能克服重力影響，可自由行走在倒置或垂直的表面。尤其動態表層移動時的耗能低，單 一表層致動模組行走9.16公里，僅需消耗一度市電。單一動態表層同時進行移動翻轉與感測時，所需耗能約47.16W，比家用電風扇省電2至3倍。
該 計畫藉由Wiimote所開發的2D定位系統，已經能夠針對平面運動載具進行定位，效果相當好，尤其只須配合延伸IR LED陣列，即能達到大範圍定位之效果，在實際應用上具有簡單配置以及高定位精度等優點。透過多重區域精準定位之技術，可結合壓電式超音波馬達致動器，實 現互動式空間牆面，以調節內部環境以及空間彈性。
成功大學機械系教授蔡明祺的跨領域研究團隊，所設計的EcoSprit表層單元可在預先 舖設的軌道上能夠遊走於建築物各處，如屋頂、雨庇、立面、室內天花板或牆壁上。別於傳統建築表層固定、一體性的構造型態，分散式的小型表層單元可以個別移 動、分散或群聚而產生不同的整體配置，也可以依照局部環境狀況主動反應，進而創造出彈性、多樣性、可適應性的建築外殼。在未來的實際運用上可透過模組的外 殼封裝或是裝配於建築物雙層帷幕牆的內側，可避除電子設備的防水防塵問題，此智慧化建材模組具有廣泛的延伸應用性，包括做為建築外殼的一部分，成為天花板 或隔間牆的一部分；也可藉由搭載太陽能光電板與LED燈泡，可將再生能源轉換為室內照明所需的能源。
此外，應用在室內天花板上則成為一種可彈性態置的室內照明系統。甚而搭載不同的家電設備、薄型液晶顯視器或電子紙，使建築物的設備系統更具有便利性，或建構出動態的空間媒體表層等發揮多種功能角色。
『模組化無線感測與致動器設計及其智慧化居住空間之應用』計畫，將感應器、致動器與微處理器導入智慧化居住空間，整合機械、電機、通訊、建築等各領域的技術，因此可促成高科技元件與傳統產業的異業結合，頗具綠色環保價值，對於各項產業的升級與附加價值，將有莫大的助益。
在 減緩全球暖化的聲浪中，永續節能的綠建築成為人類居住活動空間的新趨勢，讓建築空間具備與人類妥善互動的智慧，則是目前政府推動的科技發展方向，本專利應 用於模組化建築表層載具，讓原本死板板的牆壁宛如活了過來，不但會流動，還會發光與呼吸。它顛覆傳統上對建築物的概念，在應用上將建築表層分解為許多小 型、可動的單元，創造動態、可重組的智慧型機器建築表層。不僅可以藉由群體的表層致動模組的任意分佈來調節採光與通風，還能夠當作一動態載具，可搭載燈 具、太陽光電板、薄型液晶顯像板等，因所搭載的家電設備不同，能在智慧住居空間中扮演不同的智慧化服務角色。
這項計畫的研究成果，已獲得98年東元綠色科技競賽獲第二名，98年麗偉基金會創意工程競賽獲優勝，2009年於韓國首爾國際發明展獲大會金牌及兩個國家特別獎，99年國家發明創作獎機械類發明獎銀牌等殊榮。
近年來隨著智慧與通訊科技迅速發展，人們在日常生活中已與科技緊密結合，為因應國際發展趨勢及台灣未來科技產業發展策略方向，以建築環境為載體，運用相關智慧化技術於居住空間之中，用以建構優質智慧化生活環境，已成為下世代發展之必然趨勢。
近 代關於機器與建築整合的構想，可推至1969年Andrew Rabeneck 在Architectural Design期刊中提出 Cybernetic Devices與空間整合的半機器化建築的概念，接續這樣的概念，Negroponte 在1975年提出「軟性建築機器」，認為建築本身可視為一部軟性機器。MIT Media Lab近年則投入「遍佈運算」、「人本運算」、「互動空間」、「涵構察覺」等研究，橫跨不同領域的這些議題，則成為今日智慧環境研究的基礎。
智慧空間強調人本、多元、可調適，目標是利用高科技的電腦與機器裝置，透過人工智慧與軟體，整合最新的智慧材料與智慧科技，考量使用者與環境間的互動，以改善人們的住居環境。
但 近年來的智慧生活空間相關研究仍多侷限於聲、光、及影像等平面互動技術，僅是將智慧裝置埋設於靜定的方盒子建築體裡，或裝設依附於牆面上的顯示面板。可回 應建築通常定義為一個靈敏的可動建築構造，能感知環境條件、生態涵構、使用者活動等變動因子，並調整自身形貌或物理性質。例如：住宅立面可依照太陽照射改 變遮蔽方式；辦公大樓剖面可因應通風條件而調整。
現階段的可回應建築，雖然欲將智慧環境與使用者的關係從「顯示媒體互動」演變到「空間實體互動」，但是若考量到高耗能問題與構件型態時，大多遷就於現有動力設備(傳統馬達及氣壓桿件等)，鮮少有實體設計與致動科技互相結合之案例。
人與建築互動的技術基礎在於感測/輸入與致動/輸出，以及兩者之間能量信號的轉換機制，自伊東豐雄(Toyo Ito)於1986 年將一個都市廢棄通風塔改建為一座利用光線變化反應環境變動的「風之塔」起，一種即時而回應式的設計正式被帶入新一代建築設計概念。
『模組化無線感測與致動器設計及其智慧化居住空間之應用』計畫，整合了科技、美學功能、及人因情緒感知於建築內與外之間的介面上，達成敏感、智慧、即時、互動的動態感性表層。
該計畫除整合成大機械系及工科系等工程科系之研究人員外，更結合建築系之空間結構設計人才，實質達到計劃整合之目標，發展出較多方位的核心技術，如智慧化居住空間之家俱及門窗等，化「被動為主動」，不僅「省人亦省能」，掌握核心技術即可掌握未來的應用。
國科會三年期整合型計畫-『模組化無線感測與致動器設計及其智慧化居住空間之應用』專題研究計畫，由國立成功大學機械系蔡明祺教授主持，共同主持人:機械系陳國聲教授、工科系陳添智教授、建築系鄭泰昇教授，博士後研究員姚武松博士。
http://www.cna.com.tw/postwrite/cvpread.aspx?ID=109598
訊息來源：成功大學