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2018-10-12 14:22

素有「科技界奧斯卡獎」之稱的全球百大科技研發獎,一直以來是科技人的榮耀殿堂,作為國際級的應用科技研發機構,工研院已連續10年都在這場國際盛事中,展現堅實的科技基礎與創新研發動能,今年再度以8項前瞻技術入圍全球百大科技研發獎,不僅充分展現豐沛的研發能量,更要帶領台灣在國際舞台上發光發熱!

 

文/李洵穎、游念秀、游易文、魏茂國、高永謀、涂心怡

 

手持式膚質光學斷層掃描儀
穿透皮下2mm的那道光

政府「5+2產業創新計畫」中,生醫產業是相當重要的區塊。工研院致力整合跨領域科技,引領高附加價值的生物醫學與醫療器材產業,提升台灣生醫產業競爭力。「手持式膚質光學斷層掃描儀」結合生醫與資電,策略性搶攻醫美、皮膚照護市場,為保養品功效提供科學實證、產品開發添助力。

 

拿起小小的探頭,往臉上一照,下一秒就知道皮下的膠原蛋白含量,彷彿皮膚瞬間被看透!這是工研院所開發的「手持式膚質光學斷層掃描儀」(Handheld Skin Quality Tomography),以非侵入式的高階光學影像技術,即時呈現皮下斷層結構影像,堪稱國際醫美級光學掃描儀器創舉!

 

醫美級掃描檢測儀器 國際創舉

 

「手持式膚質光學斷層掃描儀」可提供即時、易操作、客觀的膚質檢測,也是第一個科學證明,能夠看到真皮層膠原蛋白含量的產品化手持式光學掃描系統,堪稱國際上皮膚檢測掃描儀器的創舉,因而入圍2018全球百大科技研發獎。

 

工研院生醫與醫材研究所專案副組長張奇偉說,「手持式膚質光學斷層掃描儀」採用的是「光學同調斷層掃描技術」(Optical Coherence Tomography;OCT),這是一種非侵入式的高階光學影像技術,利用光線掃描,可以即時呈現皮膚組織的斷層結構影像,提供表皮與真皮層交界面皺褶程度、膠原蛋白密度、血管形態、毛囊狀況等膚質評估所需要的重要資訊,是目前醫美皮膚分析儀器無法做到的。

 

張奇偉補充,和傳統掃描儀的差異在於,手持式膚質光學斷層掃描儀是新一代光學影像技術,能夠看到皮下2公釐(mm)的皮膚組織狀況,恰好是醫界與民眾最所關心的皮膚資訊所在。

 

說起研發的緣由,張奇偉表示,4年前,原本希望將光學掃描儀應用於皮膚疾病診斷。不過,經過半年的研究,發現應用於疾病診斷的時機尚未成熟,反而是皮膚照護(Skin Care)市場大有可為。研調機構Chameleon Pharma Consluting統計,2017年全球化妝保養品市場產值達到2,920億美元,其中皮膚照護部分就占了整個市場的三分之一,近千億美元的商機,不可小覷。

 

另一個策略的關鍵,在於皮膚照護產業缺乏科學證據驗證,張奇偉說:「市場搞不清楚哪些產品有效?我們剛好進去補這個缺口。」他認為,將光學掃描儀用於皮膚照護市場,「是一個非常完美的匹配」,因此將皮膚照護作為產品發展的階段性布局。

 

然而,產品與市場匹配得再怎麼完美,研發初期難免卡關。張奇偉說,手持式膚質光學斷層掃描儀從得到穩定的影像,進而分析影像,再將結果與膚質、膚況連結作出精確解釋,牽涉到資訊電子和生物學跨領域整合。

 

成功鏈結資電和生物跨域整合

 

整合不同領域的人並不容易,「光專業術語就不一樣,」張奇偉說,更傷腦筋的是,在建立膚質參數模型時,兩個不同背景的研發人員,對「生物個體差異」與「精準」的認知不同,「我們決定找醫師來作裁判。」

 

張奇偉和研發團隊從研讀文獻開始,和醫師群合作進行動物實驗及人體臨床實驗。經過不斷討論與修正,終於打造出兼容生物差異與精準性的模型;同時也將文獻資料、實驗結果與專業知識,透過深度學習整合到儀器的判讀軟體內,讓檢測解讀更準確。

 

另一個困難點在於如何讓產品輕量化、平價化。傳統光學斷層掃描儀大而笨重,要讓保養品業者、醫美診所買單,價格親民、單手好操作,才有吸引力。研發團隊和光譜儀公司合作,試著將大又貴的光譜儀縮小為手持式,只要一秒,就可以看到皮下結構,快速又方便。醫界人士也給予正面迴響,像是國衛院的皮膚病理學專家,即採用為皮膚老化研究的工具。

 

張奇偉說,手持式膚質光學斷層掃描儀可提供業者作為保養品功效的科學證據,也能縮短新產品開發時間。他期待,未來研發團隊蒐集的數據愈來愈多、也越來越成熟、穩定時,手持式膚質光學斷層掃描儀將有機會成為膚質檢測領域的國際驗證標準。

 

 

超臨界無水染助劑解決方案
實現循環經濟大未來

循環經濟蔚為趨勢,不僅是「5+2產業創新計畫」中的發展重點,更被視為台灣翻轉全球產業鏈的決勝關鍵。工研院研發「不用水」的「超臨界流體染色染助劑與機能化同步技術」,從材料端與技術端補足產業缺口,為台灣紡織業開出一條通往藍海市場的康莊大道。

 

布料染色竟不用水?工研院實驗室中,厚達10公分的鋼爐中,充滿達到超臨界氣液狀態的二氧化碳,爐內溫度高達攝氏120度、壓力則來到250Bar;鍋爐外的實驗室,也熱得讓人汗流浹背。將布料放入鋼爐,4小時後打開爐門,一捲捲聚酯纖維與彈性布料,已經染上亮麗的色彩,染色過程中不用一滴水,還能同時賦予布料如吸濕排汗等機能,這就是工研院「超臨界流體染色染助劑與機能化同步技術」神奇之處。

 

過去4年來,工研院研發團隊重複做了上千次實驗,研發出多種「超臨界流體染色染助劑與機能化同步技術(The Supercritical CO2 Dyeing And The Synchronized Functional Dyeing Technology)」,創新無水染色之餘,還能同步進行機能性加工,不僅榮獲今年工研菁英傑出研究獎,更入圍2018全球百大科技研發獎,成為國際矚目的綠色焦點。

 

零水染整製程 落實循環經濟理念

 

紡織業為台灣重要產業,每年出口金額達百億美元,許多國際品牌都來到台灣採購。但近年環保意識抬頭,國際運動品牌號召成立「有害化學物質零排放聯盟」(ZDHC),訂出2020年達成有害化學物質零排放的嚴格標準;2015年世界各國簽署巴黎協定後,歐美企業對於貿易產品的碳排放量標準漸趨嚴苛,對生產過程中產生大量廢水的傳統染整業來說,在在都是艱鉅挑戰。

 

「近10年來,我們充分感受到紡織業者的焦慮,」工研院材料與化工研究所纖維暨紡織化學品技術組組長唐靜雯表示,傳統染色程序中,需要大量用水進行染整和水洗。據統計,每製造1件衣服會用掉25公升的水,相當於15瓶大保特瓶容量。因此業者無不殫精竭慮減少排放廢水,符合世界環保標準。

 

2014年起,台灣紡織大廠紛紛建置無水染色的超臨界流體染色設備,在染料種類不多下,投入大量資源研發製程參數,以便順利導入量產。工研院材化所紡織與民生化學品研究室主任董泯言發現,當時市場上雖然有超臨界染色設備,但真正投入染料參數研究幾乎沒有,因此著手開發紅黃藍三原色的高染色堅牢度染料,讓無水染色布料能擁有更豐富的色彩變化,且能牢牢鎖住顏色,經合作廠商驗證,發現品質完全不輸傳統製品。之後也透過工研院跨單位合作、產學研與國際合作模式逐步打造超臨界流體染色開放式創新系統平台(OISP),快速提升自主研發能量。

 

超臨界流體染色技術的最大特色,就是染色過程中以二氧化碳取代水,以特製鍋爐,施加特定溫度與壓力,讓二氧化碳達到介於氣體與液體之間的超臨界狀態,同時具備液體的高溶解性與氣體的高貫穿性,將染料溶解擴散、完全滲透到纖維毛細孔內。使用過的二氧化碳,可透過氣閥回收重複利用,更無須像傳統染整技術多一道烘乾手續,徒增廢氣汙染。

 

業界需求是催生技術的重要推力

 

超臨界流體染色技術目前僅可施作於聚酯纖維布料上,而聚酯纖維是機能型布料最常見材質,一般機能性布料染色與增添機能是分開的兩道工序,董泯言在與業者討論過程中靈機一動,開始嘗試開發同步染色與機能化技術。

 

但因這項此項技術為世界首創,無先例可參考,董泯言與團隊利用超臨界染色OISP平台建立數位基因資料庫(MGI/AI),協助模擬判斷該用哪些材料來合成,再把合成的染料/機能化材料送至超臨界染色驗證流程。研發團隊從零開始建立上百種材料資訊,進行不下千次的實驗,這才建立了完整的驗證機制,可以快速而靈活的替業者找到最適合的材料。

 

「廠商的需求是我們研發的動力,」董泯言說,他帶著同仁努力找資源之餘,合作廠商也積極回饋實際使用需求,讓研發團隊更能切中產業痛點;其國際品牌客戶也相當重視這項技術,讓他更確定這項技術將是未來潮流。畢竟,在追求環境永續的路上,科技與創新一定是最佳夥伴。

 

 

免代理式應用效能管理系統
效能一目了然


物聯網進入你我生活,透過雲和端之間的數據傳輸提供便利服務。物聯網是政府「5+2產業創新計畫」中「亞洲.矽谷」的重要一環,當成千上萬的應用軟體服務在雲端運行,如何確保服務穩定運作,在出現問題時快速找出瓶頸?工研院的「免代理式應用效能管理系統」無異是最佳解答,該技術同時也入圍2018全球百大科技研發獎。

 

「網頁怎麼這麼慢?」「APP一直卡卡的!」網管人員最怕接到這類抱怨,因為他們接下來得忙著找出問題的根源,還要讓系統恢復正常。如何有效率地管理網路應用軟體效能?由工研院開發的「免代理式應用效能管理系統」(Agentless-based Application Performance Management;AAPM)便是網路維運者的好幫手。

 

網路系統營運行業可說是「每秒幾千億上下」的生意!根據電商巨擘亞馬遜的研究,因網頁回應時間延遲所造成的商業衝擊,每0.1秒的延遲會影響1%的銷售額,折合新台幣300多億元;搜尋巨人Google也指出,網路延遲每增加0.5秒,搜尋瀏覽量將下滑20%,代表商機正從指縫中溜走。如何有效率管理應用程式,應用效能管理系統(Application Performance Management;APM)已成為不可或缺的關鍵技術。

 

「三不」獨家特色 解決客戶痛點

 

現行利用APM來監測應用軟體效能,須先安裝代理程式(Agent),如此一來勢必要修改應用軟體本身,植入監測程式碼;應用軟體一旦更新,又得重新安裝代理程式,不僅耗時費事、增加維運成本,無形之中也提升了系統不穩定的風險。

 

為了讓網路應用服務管理更有效率,工研院以自主開發的應用軟體監控專利技術,將APM結合OpenStack KVM(Kernel Virtual Machine)虛擬機管理功能,在2017年成功整合為「免代理式應用效能管理系統」。AAPM不必安裝代理程式,不修改任一個應用軟體,不改變執行環境,以「三不」獨家特色,解決網路系統營運商使用傳統APM的痛點,就連無原始碼的應用軟體也能管理。AAPM成功把痛點變賣點,入圍2018年全球百大科技研發獎。

 

視覺化拓樸圖 快速找出效能瓶頸

 

「凡走過必留下痕跡,」研發成員之一的工研院資訊與通訊研究所組長江滄明解釋,AAPM針對在資料中心運行的所有應用服務,都能顯示應用服務與客戶端間的程序(Process)/執行緒(Thread)、虛擬機及連線狀態,產生應用服務拓樸圖,並建立服務軌跡。「資料細到客端用PC還是手機,幾點幾分向應用服務提出請求(Request)、瀏覽的頁面、執行的動作,全部視覺化,一目了然,」江滄明說,網路應用服務異常,往往產生延遲,AAPM可即時偵測延遲時間,以紅色標示異常網段;進一步做到問題根源分析,快速找出效能瓶頸。

 

然而,標榜「免代理式」的特色,卻讓AAPM的開發難度倍增,因為AAPM必須跟系統軟體「縫在一起」,方能讓未安裝代理程式的應用軟體順利被AAPM管理。在不知系統軟體的原始碼之下,要撈出系統軟體必要資料,把AAPM與系統軟體做完美整合,正是一大挑戰。為此,江滄明找來系統軟體專長的俄籍工程師Dmitry Sherstoboev協助,在「綁手綁腳」與「半做半猜」中成功達陣,完成開發。

 

微服務時代 免代理程式更具優勢

 

隨著雲端運算與虛擬化應用市場漸趨成熟,APM的前景看好。江滄明說,凡透過網路軟體蒐集資料、服務客戶的企業都會用到APM,例如網路/行動銀行、電商網站、網路訂票等都是潛在客戶。研調機構IDC指出,APM一年市場規模高達34.6億美元,並以12.5%年複合成長率成長,市場潛力可期。

 

此外,微服務(Micro-services)概念興起,將單一應用程式劃分為許多小型服務,使其具備擴充的彈性與快速更新的能力,逐漸成為雲端應用的趨勢。「把大服務劃分為小服務後,更能凸顯AAPM免代理式的優勢,」江滄明認為,AAPM此時切入正是時候,可協助解決微服務在安全與效能上的挑戰。

 

展望未來,團隊將進一步導入機器學習,讓AAPM從被動監測進化成主動預測。團隊成員之一的資通所經理陽鳴谷說:「延遲代表損失,預防勝於治療。」機器學習能根據過去的資料進行分析、建立預測模型,並以模型作為偵測不正常行為的基礎,找出問題之後進而自動解決、自動修復,隔離問題,減低管理者的負擔。

 

 

電信操控無人機隊解決方案
提升維安效率

看好無人機的多元應用潛力,工研院整合機械、通訊、飛控、航太等跨領域技術,開發「電信操控無人機隊解決方案」,透過4G網路遠端操控無人機隊,精準完成自動化飛行任務,大幅拓展潛在應用,落實「5+2產業創新計畫」中「亞洲.矽谷」物聯網的發展目標。

 

今年2月平昌冬季奧運開幕式上,由1,218架無人機表演的五環燈光秀,絢麗奪目成為全球矚目焦點。能夠操控千餘台無人機,做出令人驚嘆的3D圖形變化,背後的管理系統無疑是關鍵核心。

 

工研院與內政部警政署合作研發的「電信操控無人機隊解決方案」(Automatic Police UAV Patrol System;APUPs),即是將無人機隊應用在警政巡邏,讓無人機化身空中警車的核心系統,大幅增進公務執行效率,提升維安成效,並入圍2018全球百大科技研發獎。

 

優化無人機三大關鍵技術

 

「無人機之所以普受歡迎,在於它可以飛到人類難以企及的制高點,用猶如『神的視角』拍攝影像」工研院資訊與通訊研究所資訊應用核心技術組組長李國徵表示,一般消費型無人機採用Wi-Fi遙控,限制了飛行距離;加上受制承載重量、電池容量,往往飛行20、30分鐘就得換電池,應用受到侷限。

 

為達成無人「空中警車」的目標,工研院優化無人機「通訊模組」、「自動化」及「充電系統」三大關鍵技術,成功打造適合警用巡檢、偵防需求的無人機隊操控系統。

 

為解決消費型無人機飛行距離過短的問題,工研院使用4G網路搭配Wi-Fi之雙鏈路通訊方案,2017年成功在美國消費性電子展(CES),從拉斯維加斯遙控在新竹的無人機。APUPs無人機還能搭配客製化光學鏡頭,兼具數據與圖像傳輸功能,相較於國外4G通訊模組大多僅支援數據傳輸功能更完善,即時影像串流延遲不到1秒並能多人同時觀看,遠勝消費型機款延遲25秒,且能搭配虛擬私人網路(VPN)加密功能提升資料安全。

 

透過自行研發的地面控制站套裝軟體(Ground Control Station),APUPs具備設定航點、規劃路線、一鍵起飛等自動化功能,可同時管理多架無人機。預計年底再導入AI,透過智慧數據分析,巡邏時可隨著觀察狀態,自行決定速度快慢,改善消費型無人機仰賴人為操控的缺點。

 

無人機續航的關鍵在於電力,APUPs運用即時動態定位技術(Real Time Kinematic;RTK),進行高精準定位與紅外線導引,在警局頂樓設置自主式充電站,讓無人機在各站間降落快速充電,無須使用人力更換電池,有效延長無人機執勤時間。

 

軟硬體整合 發展多元化應用模式

 

李國徵表示,近年APUPs配合行動警察建置案(M-Police),已針對警政署的不同任務需求,衍生多種應用模式。

 

以「定點維安」為例,警察在大型集會場地執勤,使用無人機就能直上直下拍攝影像,無需商借高樓作制高點,今年11月台中花博就將由「繫留無人機」代替部分警察「站崗」,在機身牽繫一條纖細電線,就能長時懸停在100公尺的高空,減低員警維安負擔。而偏僻農園、果園及漁塭的「巡邏維安」,突破地形限制,即時攝錄影像,將可節省85%的警力巡邏時間,未來再搭配熱顯像鏡頭、遠距離警示、廣播等特定酬載(Payload),將可提升犯罪預防與嚇阻成效。

 

「我們希望拉近技術與應用的距離,挖掘更多無人機潛在應用機會,取代危險、耗時又費力的工作,」李國徵表示,除了警政署,團隊也積極與水利、環保、交通等政府單位合作,利用無人機進行土石流監控、橋梁檢查和安全巡視等,節省人力時間,掌握動態狀況。目前與台灣高鐵公司簽約協助擬訂長達250公里的無人機橋梁巡檢標準作業流程,相較專業橋檢車巡檢可節省75%施做時間並降低成本。

 

無人機亦可搭載雙鏡頭,兼具大範圍偵蒐及細部聚焦功能,如於水庫巡檢掌握水情資訊,於重要路口車流分析以預防交通事故。未來看好展演及競速等娛樂用無人機發展,現已著手布局技術研發。

 

未來APUPs將成為全方位的無人機解決方案,依據不同場域需求進行客製化調整,近年前往海外參展時備受矚目更吸引跨國企業橋梁巡檢公司前來洽談,印證工研院已掌握無人機應用效益最大化的關鍵優勢,未來結合台灣軟硬體廠商進軍國際,攻占不可限量的無人機潛在市場與商機。

 

水性防塵抗汙塗料
綠色好生活、清潔更輕鬆

隨著各國逐步禁用溶劑型油性塗料,水性塗料近年一躍成為環保健康的解決方案。然水性塗料撥水性差,工研院克服水性塗料先天限制,研發出耐候、防汙、撥水功能的水性塗料,不僅為「5+2產業創新計畫」中「循環經濟」產業增添動能,也獲得2018全球百大科技研發獎入圍的肯定。

 

生活中,常以塗料美化居家空間或建築外貌,既維持美觀,也有保護及延長建物使用壽命的作用,但常見的油性塗料(如油漆)多帶有刺激性的氣味與成分,影響身體健康。近年來,愈來愈多消費者選擇購買無毒環保的水性塗料。只是對比油性塗料,水性塗料的防汙、撥水功能就相形失色許多,要想兼顧環保與撥水、防汙等功效,水性塗料必須從原料端徹底改造。

 

創新奈米材料 讓水分子先親後疏

 

工研院材料與化學研究所應用化學組研究員湯偉鉦表示,2011年美國水性塗料大廠Behr公司主動向工研院提出合作,當時工研院已掌握了一般水性塗料的製作技術,但要加入撥水、防汙功能,卻是一點頭緒都沒有,只能從既有的塗料技術以及Behr公司提供的相關配方與材料開始著手。

 

「要讓水性塗料具有撥水效果,就是首要難關,」湯偉鉦說,這代表著加入水性塗料中的關鍵材料,必須兼具親水與疏水兩種截然不同的特性,不僅要有「親水性」能在生產製作塗料時充分溶於水中、不會沉澱,才能作為塗料;粉刷完畢、塗料乾燥後,材料也需要具備「疏水性」,無法再吸收任何水分,方能實現撥水的功效。

 

為了克服這項問題,除了從Behr公司提供的材料中,找出能夠幫助材料分散的奈米顆粒,研究團隊也想出與之配套的創新技術:先加入最少量的親水物質,讓具備疏水特性的奈米顆粒能在水中均勻分布;隨著塗料逐漸乾燥,奈米顆粒會因表面張力作用逐漸浮至塗料表面,並將原來的親水物質擠壓至下方,形成上層疏水、下層親水的「自分層」結構,同時在表面形成高密度的奈米塗膜,成功達到撥水目標,還能夠抗汙、減少髒汙附著。

 

目前強調能夠撥水的水性材料,大多是親水與疏水物質各半,也不具有可分層的特性,即便粉刷乾燥後,塗料表面仍同時具有親水和疏水的性質,進而降低撥水效果;且親水物質容易與水分結合流失,也會影響塗料的耐用性。工研院研發的「水性防塵抗汙塗料」,不僅能有效撥水、防汙,由於加入了無機材料,多了抗日照高溫的功效,除適用於室內,戶外也難不倒它。

 

能夠撥水、防汙都只能算是基本功能,湯偉鉦表示,可撥水的設定主要是為了避免液態物體的汙染,但是在我們生活周遭,充斥著更多無孔不入的氣態汙染物,例如PM2.5;一般水性塗料在粉刷後會留下細微的毛細孔,容易附著這類粉塵微粒,也很難清除。研究過程中,團隊當初並未規劃「防塵」特性,經改良再由Behr公司測試後,發現水性防塵抗汙塗料比其他水性塗料擁有更好的防塵性,成為一大技術特色,也是始料未及的意外收穫。

 

原料端與應用同時降低環境負擔

 

以雪山隧道為例,雖然隧道內的牆面原本都塗有白色油性漆,但受到車輛排放的廢氣汙粒附著,牆面變成暗灰色,還得委請外包商定期利用機器清洗。在比較試驗中,塗有水性防塵抗汙塗料的表面,僅需實驗用擦拭紙擦拭,一擦即淨;若採清洗方式,速度能增加2到3倍,大幅減少清潔支出。

 

Behr公司也在美國進行許多實地測試,比較水性防塵抗汙塗料及各種塗料的差異,結果都顯示水性防塵抗汙塗料的防塵抗汙效果最佳,耐磨次數更高達400次以上,更入圍2018全球百大科技研發獎,獲得國際肯定。

 

水性防塵抗汙塗料不只能廣泛用於木材、陶瓷、玻璃、水泥、石材等建材上,還能有效減少因維護所需要的各種資源消耗與碳排放、延長建築或設施的使用壽命,甚至從原料端避免使用容易產生揮發性物質的化學溶劑,進一步落實「5+2產業創新計畫」中循環經濟的綠色理念,給民眾更安心的居家環境。

 

氣體洩漏影像自動辨識技術
工廠管線抓漏的好幫手

化工廠管線氣體外洩,電腦看得到!工研院成功開發「氣體洩漏影像自動辨識技術」,運用全球首創的「管線洩漏智慧偵測辨識軟體」,強化影像辨識技術,讓演算法自動偵測判別氣體外洩,彌補傳統人工偵測辨識率不足的問題,大幅提升廠房與公共安全,因而獲2018全球百大科技研發獎入圍殊榮。

 

高雄氣爆事件引發台灣社會對管線氣體洩漏的重視。不僅台灣,世界各國都曾因管線洩漏引發的火災、爆炸,造成嚴重的生命、財產損失;根據美國運輸部油管及有害物質安全總署(Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration;PHMSA)統計,在過去20年,美國共發生近千件管線事故,造成數百人死亡、上千人受傷,足見氣體洩漏為害之大。

 

由於大多數工業用管線甚長,且閥件數量龐大,目前尚無法進行長期、高效率的監測;現下普遍的監測方式,就是以紅外線熱影像或單點抽氣式機器掃描,輔以人工巡查,檢測管線是否洩露出易燃、易爆或是有毒氣體。

 

只是,若要巡查製造業廠房管線,以國內某石化園區來說,廠區內閥件數高達約200多萬個,要完成整個廠區的檢測,不僅曠日廢時且耗費人力甚鉅,小洩漏更常被忽略而產生重大問題。

 

結合無人機檢測 辨識速度快又準

 

以一座有10萬個閥件的小型工廠為例,如果以人工揹著單點抽氣式機器檢測,需耗費約500個工作日,才能完成整區檢測。若以人工使用紅外線熱像儀進行檢測,則因人眼易疲勞導致辨識率欠佳,且檢測至少也得花上約數10個工作日,效率仍不甚理想。

 

工研院綠能與環境研究所資深工程師趙浩廷表示,為解決檢測氣體洩漏效率不彰的問題,工研院研發「氣體洩漏影像自動辨識技術」,希望成為管線監測的主流技術,「我們採用辨識演算法、機器學習等AI分析技術,打破傳統管線洩漏偵測技術的應用限制,不僅速度更快,辨識率亦大幅提升,既可節省可觀的人力成本,還可增加管線的安全性。」

 

「無論是人工揹抽氣式機器或用紅外線熱像儀檢查,因檢測效率低,檢查到後面的管線時,前面管線可能已發生新的洩漏。」趙浩廷表示,若將氣體洩漏影像自動辨識技術結合現有的紅外線熱像儀,根據洩漏程度的不同,自動辨識率可達85%至97%;更可結合廠區軌道、無人機等方式自動巡檢,不僅節省了可觀的人力、時間,也大幅降低管線洩漏引發災禍的頻率。

 

活用AI提升偵測辨識率

 

趙浩廷解釋,氣體洩漏影像自動辨識技術的優勢,在於「影像穩定」與「影像強化演算法」兩大技術,能改善人工辨識率不足問題,強化微小氣體可視性與移動辨識之穩定性,即使是每小時洩漏1公克的微小氣體洩漏,也能看得出來。搭配「機器學習動態影像分析辨識演算法」,強化偵測靈敏度。

 

堪稱全球首創的「管線洩漏智慧偵測辨識軟體」,內含「影像穩定與影像強化演算法」以及「機器學習與動態影像分析辨識演算法」,是研究團隊的結晶。除歸納外洩氣體的影像型態,強化影像以利辨識,也建立大量之氣體洩漏影像資料庫進行機器學習,提升辨識率、減少誤判,是提高檢測效率的關鍵。

 

「手持移動偵測是影像辨識很大的挑戰。」趙浩廷解釋,這套系統是靠洩漏氣體的特徵進行辨識,但移動中的環境過於複雜,且洩漏氣體沒有固定線條與形狀,特徵比較不明顯,需加入影像時間序的分析,以提升系統強健性。

 

整合擴充性佳 節省建置成本

 

氣體洩漏影像自動辨識技術還可以支援目前普遍用於偵測氣體洩漏的各廠牌紅外線熱像儀,廠商無須更換檢測設備,大幅提升企業主的添購意願,有助於提升現有紅外線熱像儀檢測的準確度與速度。趙浩廷表示,該技術現將進入化工廠實測,之後,再針對之前未發現的問題進行調整,就可進入商業化階段。」

 

趙浩廷透露,目前已與化工、光電大廠洽談合作,在可見的未來,氣體洩漏影像自動辨識技術,將可廣泛應用於與化學相關的產業,包括化工、電子、油氣等高危險性產業,成為全球製造業提升工安層次的一大利器!

 

UVC LED流動水殺菌模組
殺菌節能一兼二顧

生活品質與環境永續如何兩者兼顧,是當前科技發展的首要目標。工研院開發的「UVC LED流動水殺菌模組」以創新技術達到高效除菌效果,低耗能、無汞、可攜式與智慧化設計更便於使用,不僅守護民眾飲水安全,也不增加環境的負擔,因此獲得2018全球百大科技研發獎入圍肯定。

 

水,是我們維持生命的重要元素之一,現代生活不只要求有水可飲,更重視飲用水的潔淨與安全,大部分家庭都會裝設濾水器,以取得更好的水質,為飲用水安全把關,但一般標榜可除氯的濾水器,除氯後反而容易孳生細菌、微生物,就可能造成水中含菌量過高,危害你我的健康。

 

目前市面上飲用水的除菌產品以紫外線(Ultraviolet;UV)技術為主。依照波長長短差異,紫外線可分為紫外線A(UVA)、紫外線B(UVB)、紫外線C(UVC)等3種,其中尤以UVC的殺菌效果最強,目前德國、日本、美國、加拿大等研究機構,皆正積極研發UVC殺菌產品,工研院所開發的「UVC LED流動水殺菌模組」,完美掌握殺菌技術並兼顧環保的水處理利器。

 

無污染殺菌效果佳 遠端監控更安心

 

在傳統殺菌技術上,仰賴汞燈產生UVC殺菌,但容易產生汞污染問題,對環境危害甚大。為禁絕汞污染,聯合國於2013年簽署《水俁公約》(Minamata Convention on Mercury),宣告在2020年將全面禁止生產及進出口含汞產品,在此背景下,不會產生有毒物質又能保有殺菌功能的UVC LED技術,成為業界的研發趨勢。

 

工研院研發的「UVC LED流動水殺菌模組」即是運用UVC LED技術,搭配特殊軸向投射設計,優化UVC光利用率,增強投射進水流通道的UVC強度,達到最佳殺菌效果。工研院電子與光電系統研究所營運總監朱慕道表示,水流量達到2L/min,大腸桿菌除菌率可達99.9%以上。

 

由於傳統汞燈預熱時間過長,必須24小時不間斷點亮,導致平均使用壽命僅有1年,UVC LED流動水殺菌模組利用LED可高速開關特性,以水流動感應啟動,不用水時即關閉不用,可省下約50%用電量,使用年限可達3年,更為經濟、實惠。

 

另外,在住戶稠密的集合式住宅裡,水塔維護、管理頗為不易,最怕有異物污染水質,且一般住戶無法及時察覺處理。UVC LED流動水殺菌模組融入智慧物聯概念,透過無線藍芽裝置,蒐集LED狀態、UV光強度、水流量、鋰電池狀態等數據,傳輸至後台進行智慧化管理控制與運用,建立自主防護網,確保用水除菌品質,全方位守護飲用水安全。

 

體積小安裝EASY 提升市場競爭力

 

體積小、安裝簡便,更是UVC LED流動水殺菌模組的一大優勢,體積不到UV燈管水除菌產品的三分之一,可隨身攜帶並快速安裝在各出水口終端,一顆鋰電池就可處理約600公升的水量,不僅適用於一般居家,甚至可用於災區應急,例如發生震災或其他災害時,利用此淨水產品,即可快速供應民眾乾淨安全的用水。

 

根據世界衛生組織(WHO)的統計,全球現在約有8.4億人缺乏安全、潔淨的飲用水。在第三世界國家或地區,如印度、非洲國家的諸多偏鄉村落連最基本的水處理設備亦付之闕如,致疫情頻傳。

 

UVC LED流動水殺菌模組的價格親民、使用方便、環保的特性,使其深具國際競爭力,不只台灣、先進國家可改善用水品質,更可協助衛生條件不佳的國家或地區,提供乾淨飲用水或醫療除菌水,堪稱劃時代的發明,今年因此入圍2018全球百大科技研發獎,在國際上大放異彩。

 

台灣LED產業在全球名列前茅,UVC LED前端光源技術現已結合國內多家LED大廠,投入研發,逐步建立台灣UVC LED完整上中下游自主的產業鏈,開創高附加價值藍海市場;UVC LED流動水殺菌模組也已成功技轉廠商,預計2018年年底上市,經濟實惠的價格,讓更多家庭都能享有乾淨的水資源;產業應用上,高度重視水質的行業,如生醫產業、養殖產業等,只要在用水出入口加裝UVC LED流動水殺菌模組,就能進一步提升水質,為水處理市場開創一番新氣象。

 

手持式50W雷射清潔機
提升台灣加工產業競爭力

金屬材料產業扮演工業之母的角色,台灣金屬材料產業及所衍生中下游金屬製品產業產值達2.3兆元,如何減少工序、提升精度,是產業轉型躍升的重點。工研院研發的「手持式50W雷射清潔機」,快速有效褪去加工件鏽垢,提升精度,獲國際肯定,入圍2018全球百大科技研發獎。

 

細長的紅色雷射光輕巧的一掃而過,滿是鏽斑的鐵片馬上露出平滑的亮銀色基材!如此的除鏽好功力,來自工研院所研發的「手持式50W雷射清潔機」。談起這項技術的開發緣起,工研院雷射與積層製造科技中心關鍵模組部經理曹宏熙坦言,這並非是研究計畫中的一部分,而是來自一段有趣的小插曲。

 

意外插曲 開啟雷射應用新視野

 

「同事家的烤箱烤盤積了許多碳垢,用菜瓜布拼命刷也刷不起來,心想不如拿這塊廢鐵盤來研究室,用雷射打印刻上自己的名字試試看。」曹宏熙說,這一試,竟然試出了一個驚人的發現,「名字是刻上去了,但他也發現雷射光掃過的地方,碳垢竟然也自動脫落了!」

 

熔點與氣化點的完美結合,雷射輕而易舉地就能將碳垢氣化。這項新奇的發現,激發起眾人的好奇心,心想:「碳垢都能清除了,那鐵鏽、銅鏽或是洗手台的水垢呢?」好奇心重的他們,對著辦公室所能找到的物品一項一項測試,也在這具有實驗精神的行動中,找到了雷射的未來運用。

 

曹宏熙坦言,10幾年前德國人就開始運用雷射為鐵軌與汽車除鏽,但因為所採用的雷射是一種連續性的雷射,所以始終沒有跨出除鏽之外的應用。「現在我們自己做雷射源,針對基材與髒汙特性,來調整雷射的脈衝寬度與參數,進行客製化,在去除髒汙的同時確保基材不受損傷,」曹宏熙說。

 

「為了不傷及基材,製程端的同仁必須細心調整,再回饋給研發人員進行參數微調,過程中哪怕是毫米數據差,都會大大影響成效,」曹宏熙回憶研發過程,每當取得昂貴的基材,就得更小心翼翼,「有些昂貴的樣品一小片就要價好幾萬元,常常是弄壞了也不見得能得出一個完美的參數,因此我們的實驗成本實在非常高。」

 

台灣加工產業多,受限台灣氣候潮溼,零件常常在焊接前就已生鏽,因此多需透過人工拋磨的方式先行除鏽再焊接,否則焊接部位會不夠牢固。然而人工拋磨有其風險,除了可能損及原件造成精度下降,也容易造成工傷,因此除鏽工作早已困擾產業界多年,而國外的除鏽機1台動輒要價300萬元起跳,一般中小型企業難以負擔。

 

免維護無耗材 深具競爭優勢

 

「即使有能力負擔,國外的除鏽機也不一定適用於台灣產業,」曹宏熙進一步解釋,「德國機器瓦數多在500瓦以上,只能除去鐵鏽,我們利用脈衝雷射縮減到50瓦,但雷射瞬間峰值可達5萬瓦,不僅電費省、體積也小,使用材質範圍更廣,與德國機器相較,我們有很大的競爭優勢。」

 

工研院所研發的手持式50W雷射清潔機,能透過單機版控制介面及軟體,業者無須安裝與調整,就能輕鬆的透過電腦選擇清潔模式,調整清除線寬、能量與速度;除此之外,全光纖架構設計不僅不用維護,甚至無須耗材。最終目標是希望小至家庭,大至工商業,都能利用雷射完美完成清潔工作。

 

為更加切合市場需求,曹宏熙與團隊致力於縮小機台,今年推出的嶄新機型,從原先大如1台雙門冰箱,縮減為僅有24吋行李箱大小;手持式槍頭也從3公斤改良至1公斤的輕巧重量,目前已經可以進入產業實際運作,對於加工製造廠而言,無疑是減少加工流程、提高商品精度的一大助力。

 

研發團隊下一步計畫打進台灣傲踞全球的「晶片與半導體業」,「現在的半導體業使用有機溶劑清潔髒汙,過程中就會產生許多廢水與汙染源,如果可以利用雷射做清潔就不會有這樣的問題。」曹宏熙說。

 

儘管雷射清潔技術在不同基材與髒汙型態上的挑戰依然不斷,曹宏熙始終相信,若雷射可以與傳統加工產業結合,將可大幅提高產業的國際競爭力。曹宏熙深具信心地表示:「目前世界各國在雷射應用方面都尚在起跑階段,如果我們能率先將雷射導入設備廠,相信對於發展精密機械乃至智慧機械產業,絕對有莫大助益!」

 

 

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