在今天看見明天
熱門: 配息 玉山金 pimco esg 房地產

智慧、創新、永續:工研院榮獲3項全球百大科技研發獎

智慧、創新、永續:工研院榮獲3項全球百大科技研發獎

賴宛靖、林玉圓

科技

工業技術與資訊

2021-11-26 17:00

科技創新是推動世界進步的關鍵引擎,「全球百大科技研發獎」每年選出百大前瞻科技,工研院連續14年獲獎,累計抱回47座獎項,豐碩成果閃耀全球,不僅協助臺灣產業開闢新藍海,更為人類打造美好的新未來。

全球水資源危機新解方

等溫高效率水氣分離技術

等溫高效率水氣分離技術

工研院研發「等溫高效率水氣分離技術」,只靠一張布滿「氧化石墨烯」的特製薄膜,就能輕鬆分離出潔淨水與乾燥空氣,入圍今年全球百大科技研發獎。

 

想像空中有一個看不見的水龍頭,扭開就能提供乾淨飲用水?不同於市面上的造水設備以冷凝原理凝結水氣再經過層層過濾及消毒,工研院研發的「等溫高效率水氣分離技術」,只靠一層特製薄膜就能輕鬆分離出潔淨水與乾空氣,這有如空中取水的「膜」法,榮獲2021年「全球百大科技研發獎」殊榮。

 

全球總計超過10億人缺乏獲得乾淨水源的途徑,27億人1年中至少有1個月面臨缺水。尤其在第三世界,水源骯髒無法使用,濾材的更換週期與人力維護成本大幅提高幾10倍以上,因此使用現行的淨水設備是緩不濟急,甚至可說是不具效益。

 

善用親水性與疏水性 讓水氣瞬間分手

 

該技術首先透過風扇將空氣抽入設備中,當空氣碰到特殊薄膜時,親水性的薄膜表面會抓住空氣中的水分子並將其導入薄膜內層。薄膜內層充滿著疏水性的通道,可讓這些被導入的水分子,乖乖順著這些「通道」被分離出來。實測下來,水氣分離效果高達99.99%,超越同樣研究薄膜分離水氣的美國及新加坡廠商。

 

分析市場上造水產品的原理多半仰賴製冷工序,使空氣水分凝結、滴落,但灰塵、細菌等較大的髒汙也會隨著水分子一起冷凝,影響水質無法再利用。而這項等溫高效率水氣分離技術,只在瞬間就能克服這項缺陷。

 

主因在於該薄膜內的層間隙僅1奈米(nm),排列整齊的疏水性通道僅能容納單層水分子快速通過,連空氣中的氮氣、氧氣分子都能被阻隔在外,那些更大的細菌、灰塵就更不用說了,分離後的高濃度水氣只需略為壓縮即可成液態純水,經SGS多項驗證,是完全能直接生飲的等級。此外,不同於傳統濾材容易藏汙納垢、需勤加更換的缺點,這張特製薄膜可長期使用,無需更換。

 

讓水氣瞬間分離的關鍵材質正是「氧化石墨烯」。工研院綠能與環境研究所環境材料研究室經理賴宇倫表示,要讓液態漿料內雜亂排列的氧化石墨烯層片變成固態薄膜的過程極其困難,稍微不慎,都有可能讓整張薄膜起皺而不能使用。除此之外,在一般環境中,「氧化石墨烯」會膨潤變形,導致堆疊出來的間隙大小不一,影響水分子通過速率。歷經無數次的實驗,「我們發現,將氧化石墨烯的疏水層隙整齊排列成如同瓦楞紙結構般的固定大小,就能有效提升水分子通過的速率。」

 

工研院綠能所空污防制與安全技術組技術副組長顏紹儀生動形容,好比夜市的彈珠台,彈珠表面平滑,可以快速順著路徑移動到指定位置;「同理,我們只要讓氧化石墨烯『依所需』排列整齊,水分子就能快速通過,達成水氣分離的目的。」

 

獨家橋接劑配方 讓氧化石墨烯乖乖站好

 

如何讓氧化石墨烯排列成團隊心目中的理想結構呢?橋接劑的配合至關重要。賴宇倫表示,團隊花了1年多,試過無數橋接劑配方,不斷調整溫度、濃度、碳氧比、酸鹼度,在近百種組合中才找出理想的橋接劑分子,可協助氧化石墨烯排列出在電子顯微鏡下觀察,間距均為1奈米的整齊層隙,並延展成每個角落層間隙都整齊完美的薄膜。

 

研發團隊耗盡心力,「連做夢都會夢到用各種方法做薄膜,」賴宇倫笑著說,如今研發成功的薄膜,在常溫環境的條件下即可製成:只需用水當溶劑,讓橋接劑與氧化石墨烯攪拌震盪,塗在支撐材表面即可完成,也解決使用過多化學品導致的環汙隱憂及能耗問題。

 

臺灣屬於海島型氣候,山高水急的降雨與地勢特性,難以留住寶貴的水資源,今年國內的缺水危機,在在反映出水資源的珍稀性。未來,若家家戶戶都能將這項技術裝設在都市建築物屋頂,只要空氣掃過薄膜,就能產生潔淨水供給民生使用;乾燥空氣則轉送入建築物的外氣管道,減少壓縮機作功,節能同時還可延長機器使用壽命;從空氣中就能取水的特性,也能有效緩解乾旱地區的水情。目前此項利用薄膜自空氣中分離水氣的技術已受到國內廠商青睞,且技轉成功,初期將應用於精密分析的水氣分離裝置,長期則發展高效造水設備,團隊期待未來能擴大應用範圍,為解決全球水資源危機,貢獻一己之力。

 

氧化石墨烯

 

全球唯一修復軟組織的創新醫材

促進組織整合仿生3D列印技術

 

促進組織整合仿生3D列印技術

工研院研發「促進組織整合仿生3D列印技術」,打造出「仿生中空骨釘」,由於布滿細小孔洞,不但有利骨頭等硬組織長入,也能帶動韌帶肌腱快速融合修復。

 

人體骨骼有細微孔隙,提供組織細胞、血管傳輸或儲存養分,工研院首創「促進組織整合仿生3D列印技術」,整合3D列印、力學結構、生物相容性等優勢,能快速修復骨骼及肌腱韌帶軟組織,勇奪2021年「全球百大科技研發獎」,助臺灣醫材在運動醫學領域中更上層樓。

 

今年10月,工研院的「促進組織整合仿生3D列印技術」,率先為臺灣奪下「全球百大科技研發獎」。歷經8年研發,研究團隊成功以積層製造(3D列印)技術,打造出「仿生中空骨釘」,因與人體組織的密合度高、生物相容性佳,經實驗證實,可大幅縮短患者復原時間,目前已技轉產業,並取得醫療器材製造許可。

 

仿生中空與孔洞結構 有助組織修復

 

職業運動員如美國NBA職籃或職棒大聯盟球星,一旦受傷就會影響團隊表現和個人生涯,尤其是韌帶受傷的復原更為費時,幾乎前3個月都無法運動,即使3個月後,動作也必須小幅漸進。然而運動員只要短暫休息,體能下降速度比一般人更快,以知名球星大谷翔平為例,受傷後花了2年,才在今年重返美國職棒大聯盟,重新締造佳績。

 

工研院生醫與醫材研究所再生醫學技術組副組長蔡佩宜表示,傳統骨釘是實心、缺乏孔洞,其力學強度與骨骼等人體組織並不匹配,植入體內容易產生「應力遮蔽效應」,即骨頭與醫材的密合度不佳,導致發炎感染。這次榮獲R&D 100殊榮的主力產品「仿生中空骨釘」,布滿細小孔洞,不但利於骨頭等硬組織長入;經動物測試結果,也能帶動韌帶肌腱快速融合修復,尤以肩關節的肩旋轉軸肌,以及膝關節前後十字韌帶的修復效果最佳,是全世界唯一能修復軟組織的創新醫材。

 

力學結構高門檻 積層製造反覆測試

 

「仿生中空骨釘」的優勢歸因於三大核心設計:力學結構、積層製造技術、生物相容性。首先在力學結構方面,為促進人體組織長入,骨釘本體布滿許多細小孔洞,研發初期便迎來「力學強度不足」的考驗。由於骨釘植入人體後,每一次走動或運動時都須承受力量,「第一次開發出雛型時,就因力學強度不足,骨釘一經壓力測試就碎成粉狀,」蔡佩宜說,經團隊反覆進行疲勞測試,最終才設計出能滿足力學結構要求的理想原型。

 

第二項技術挑戰便是「積層製造」。積層製造是藉由攝氏1,500度高溫的雷射來燒融粉體,透過冷熱交替成型,過程中會因熱應力殘留,造成骨釘翹曲度不均;尤其體積愈大的醫材,如人工踝關節等,翹曲度更為明顯。為解決此技術瓶頸,研發團隊投入極大心力,與工研院雷射與積層製造科技中心攜手,這才開發出最適當的積層製造雷射掃瞄策略。

 

本土製鈦合金粉體 創新鐵基可降解

 

此技術獨特的生物相容性,則與積層製造所選用的粉體材質高度相關。蔡佩宜表示,目前仿生中空骨釘有2種材質,一是「鈦合金」。在積層製造的過程中,團隊必須嚴格控制鈦合金的氧含量,才能避免因延展性不佳而變得硬脆,植入後容易斷裂。早期鈦合金粉體必須外購,如今研發團隊已扶植本土相關廠商的產製能量,邁向醫材國產化。

 

另一材質則是由工研院一手打造的「可降解金屬」。由於鈦合金無法降解,若不經過二次手術,骨釘只能一輩子放在體內。為解決這項痛點,團隊研發「鐵基粉體」,能以適當的速度在人體中降解,被人體吸收,「控制降解速度牽涉合金的特殊配方,其開發的複雜度遠比鈦合金高出許多,」蔡佩宜說。

 

運動醫學應用夯 銀髮傷患一大福音

 

綜觀目前國際上積層製造醫材,大多會考慮骨骼的再生回復,但工研院率先投入韌帶肌腱及運動醫學;經過動物實驗後,初期固定效果好、韌帶快速長入,頭1個月的修復狀況已能趕上市售產品6個月的進度。

 

「這都要感謝與我們合作的醫療團隊,在研發過程中不斷給予反饋,」蔡佩宜也透露,團隊投入仿生孔洞技術多年,原先只聚焦骨骼復原,後來也是經由醫師建議,「既然有這麼好的力學結構,應該挑戰更難復原的韌帶軟組織!」這才刺激研發團隊投入相關研究。

 

仿生中空骨釘因與韌帶肌腱等軟組織密合度高、可促進快速生長,未來市場潛力大,不僅能造福職業運動員,也可有效縮短一般傷患的復原速度。疫後全球掀起運動風潮,有了這項優異生物相容性的醫材,能讓民眾享受運動樂趣而無後顧之憂;尤其在高齡化社會的今天,銀髮族常見肌肉骨骼問題,若採可降解材質的仿生中空骨釘,便無須進行二次手術取出,對銀髮族來說將是一大福音。

 

搶攻人機協作新商機

具扭力感知技術之機器人關節模組

 

具扭力感知技術之機器人關節模組

 

工研院推出「具扭力感知技術之機器人關節模組」,讓使用者可依據自身獨特需求,像積木一樣輕鬆組裝,即能快速、便捷地開發出協作機器手臂。

 

如果機器手臂可以像積木一樣,按需求來組裝,機器人的應用一定會更多元普及!工研院推出「具扭力感知技術之機器人關節模組」,以零組件的創新軟硬整合,解決系統應用端的痛點,適合工具機、半導體、3C組裝產線,甚至醫療、服務型機器人等各大應用場域,榮獲今年「全球百大科技研發獎」。

 

根據科技市場顧問公司ABI Research的研究顯示,2021年全球協作機器人產值已達6億美元,到2030年將成長至80億美元;顯見「人機協作」的應用已日益廣泛,目前應用範圍遍及電動車的電池組裝、水五金的研磨拋光、手術房的醫療輔助機器人、服務及陪伴型機器人等等,應用愈來愈多元化,但市面上的協作機器手臂多為標準規格,無法客製化來滿足不同需求。

 

軟體加值硬體 滿足人機協作需求

 

為解決此痛點,工研院整合了核心控制、馬達驅控、上位控制、機器人系統等多種專業技術,開發出「具扭力感知技術之機器人關節模組」(Software-Defined Augmented Robot Joint;SARJ),在硬體方面,透過靈活搭配關節模組,使用者可自行快速組裝出機器手臂;在軟體方面,SARJ具備軟體自動調校、數位雙生(Digital Twin)、平台擴增及OTA更新等智慧化功能,大大降低使用者開發及維護的門檻。

 

工研院機械與機電系統研究所副所長彭文陽指出,如今在手機、車輛的應用市場,已經大幅借重軟體來加速後端應用開發,「工研院在機器人領域耕耘已久,我們也希望將軟體加值硬體的概念導入。」

 

此次工研院推出的SARJ與現有市售方案的主要差異點在於,可透過軟體增強功能,打造出高效、輕量的硬體模組,並進一步擴增軟體後台,讓創客、機械手臂廠商、新創團隊等不同專業使用者,可依據自身獨特需求,像積木一樣輕鬆組裝,即能快速、便捷地開發出協作機器手臂。

 

三大特性大幅降低開發門檻與成本

 

SARJ是機器手臂的關鍵次系統,也是眾多計畫的整合成果,工研院機械所控制核心技術組組長陳文泉表示,SARJ具備三大特性:模組化、扭力感測軟體、擴增軟體平台。首先在模組化方面,SARJ做為關節模組,必須讓使用者能夠自行靈活組裝多軸手臂;然而軸數愈多,重量及體積也會增加。因此在開發SARJ的初期,研發團隊便透過全數位控制及高度工藝水準,將扭力感測軟體、高功率驅控系統、高效散熱模組,全部內建於有限的關節空間之內,達到配線簡潔的緊湊設計,不僅體積輕巧,扭力更大,在多軸同動的控制效果上表現更佳。

 

SARJ一開始便著眼於協作機器人市場,工研院機械所智慧機器人技術組組長黃甦提到,協作機器人的最大特性就是必須敏銳得知外力回授的狀況,才能確保人機協作的安全性。綜觀目前市面上的協作機器手臂,大多加裝扭力感測器或皮膚感測器來測得外力,成本較高且規格固定,工研院開發出「扭力感測軟體」,運用演算法預估扭力,除了節省成本,在調整靈敏度或解析度時,也有更大的彈性。

 

該技術最讓人眼睛一亮的,還有「軟體擴增平台」,黃甦解釋,「假設新創團隊需要一支五軸機器手臂,只要在我們SARJ的軟體平台上輸入設計規格,例如關節種類、臂軸長度、扭力大小等參數,即可產出機器手臂的Digital Twin,團隊可先進行模擬測試,確定符合需求後再進行實體安裝,大大降低開發門檻及成本。」

 

降低開發門檻 機電大廠試量產

 

SARJ的主要客群分為兩大類,一是創客及新創團隊,這類客群因為資源有限,採用SARJ可大幅降低機器手臂開發過程的複雜度,透過軟體後台點選模塊,並進行模擬測試,即插即用;二是如機器手臂製造商的專業客群,未來廠商無須再受限於既有固定規格產品,運用工研院SARJ即可縮短開發過程,搶得人機協作的市場先機。目前已有國內機電大廠導入SARJ進行試量產。

 

彭文陽強調,SARJ的核心價值在於它是由「軟體定義」(Software-Defined)的硬體模組,「因此SARJ不只是關節模組或手臂次系統,更是一個系統方案,能透過軟體整合來進一步服務使用者,使用者不須具備機械專業,也能簡便開發出機器手臂。」正因為工研院具備多元人才、多樣化專業等優勢,才能統合不同單位的專業能力,共同開發出這項切合未來機器人趨勢的技術,團隊也期待接下來SARJ能滿足日益多元的客製化市場,進而推廣到更多應用場域,成就人機協作的製造未來。

 

 

想了解更多R&D 100精彩報導,請看11月號工業技術與資訊月刊

 

 

延伸閱讀

買房首購族看過來》該選擇40年房貸嗎? 別忽略這「升息風險」!

2022-01-05

過去一年房市是炒作 顏炳立:2022黑天鵝變大隻「吳郭魚今年難有石斑魚的價格!」

2022-01-04

「跟著台積電去買房」失靈? 2022超低利環境改變,若「這件事」發生民眾信心動搖

2021-12-28

房貸族哭了!想拿1.31%低息好難 「這幾間銀行」正在拉高利率...

2021-12-27