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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/ 2012.07.25 00:00
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。

訊息來源:成功大學

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