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潛入未知的深海世界:仿生機械魚「Nemo」 與鋼鐵魚「Iron Fish」—《科學築夢大現場》

親子天下_96
・2016/11/06 ・1735字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

儘管人類的科技不斷進步,但想要一探海底世界仍然是非常大的挑戰。

不僅海洋的水流捉摸不定,深海裡黑暗、冰冷與高壓的環境,都是水下工作最難以克服的地方,傳統是由潛水人員來進行水下作業,不過人體在水中有下潛的極限,這時候就有請水下機器人啦。

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傳統是由潛水人員來進行水下作業,不過人體在水中有下潛的極限。圖 / By tuturgires @ pixabay

專攻水下機器人的台大教授郭振華表示,一般而言,水下機器人大致可分成兩種,一是「遙控式水下機器人(Remotely Operated Vehicles, ROV)」機器人本身以纜線與海面上的船隻聯繫,由船隻提供電力並且遙控機器人,機器人再將收集到的資料透過纜線傳回船上,人類為主要操控者,這樣的機器人不怕沒電,而且可以負荷很重的工具,例如機器手臂,所以多數應用在工業用途上。另一種是「自主式水下機器人(Automous Underwater Vehicles, AUV)」,其中也包含了「自主式水下滑翔機(Autonomous Underwater Glider, AUG)」這兩種都沒有纜繩繫縛,是靠電池來維持電力,靠感測器與人工智慧自主在水中執行任務,以聲納、光學等方式跟岸上通訊,進行定位並且傳遞訊息。自主式水下機器人可以巡遊很遠的範圍,還可以在定點停駐進行觀察,機動性很高,不過相對的風險也很大,一旦通訊系統故障,就可能會遺失了。

郭振華教授的「水下載具實驗室」中有兩架可愛的自主式水下機器人「 Nemo 」與「 Iron Fish 」。外表長得像可愛小丑魚的 Nemo,主要的功能是在海科館中與觀眾進行互動,是水中的服務型機器人。Nemo 的身體構造模仿魚身採用仿魚鰾作為浮力控制,它的移動全部仰賴矽膠製、可彈性擺動的尾鰭,帶著它完成前後、左右、上下的六個自由度,要利用單一個尾鰭來完成機器人的所有運動方式,是非常不容易,這個部分的研發也讓團隊著實花了好多力氣。另外,在研發 Nemo 的過程,由於這個機器人是要放置在海科館的魚缸中,在一個由玻璃環繞的固定範圍內巡遊,這也考驗了團隊的技術,原因在於機器人在水中是靠著影像處理與感測器來判斷環境,當環境太過於複雜,影像處理如果不夠快就會產生問題,而魚缸的透明玻璃也會讓機器人在判別上出現問題,一不小心就會撞上。最後他們想出在Nemo 的鼻子、身體與尾巴裝上壓力計,透過偵測水壓的方式,讓 Nemo 可以貼著魚缸游,也可以順利避開水中的障礙物。

Nemo,主要的功能是在海科館中與觀眾進行互動,是水中的服務型機器人。圖/親子天下提供
Nemo,主要的功能是在海科館中與觀眾進行互動,是水中的服務型機器人。圖/親子天下提供

而擁有純白色機身,眼睛部分有黑色半透明眼罩的 Iron Fish,是利用尾鰭的螺旋槳來控制前進與轉彎,搭配胸鰭的升降動作,可以高速迴旋與下潛,移動非常迅捷。Iron Fish 原本是利用聲納來跟岸上進行通訊聯繫,現在則開發出速度更快的光學通訊系統,運用雷射光以及魚身上的光感應器在水底的兩隻魚可以互相傳遞訊息,研究人員也可以透過雷射光跟機器魚進行通訊,將所偵測到的資訊傳回岸上。

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Iron Fish,可以高速迴旋與下潛,移動非常迅捷。圖/親子天下提供
Iron Fish,可以高速迴旋與下潛,移動非常迅捷。圖/親子天下提供

不過,要研發水下機器人並不容易,因為在水中的物體會受到流體力學水壓水流等等複雜因素的影響,實驗測試還必須要看老天的臉色,海象不佳就無法測試,因此研發進度會受到影響。另外,機器人的防水要做到非常嚴密,否則一旦機器人進水,設備經常就全毀了。在海中遊動的機器魚還有令人意想不到的危機,那就是會遭遇到大魚的侵襲,機器人被咬到也時有耳聞,還好它們為了負荷水壓,都配備有非常堅固的外殼,才不至於被咬壞。

儘管水下機器人的研發困難重重,不過郭振華仍樂此不疲,製作出一個像魚一樣可以永遠待在水中不用上岸的水下機器人,是他未來最大的夢想。


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本文摘自科學築夢大現場 02《歡迎光臨機器人時代!百變智慧機器人》,親子天下出版。

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親子天下_96
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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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