一般的馬達是利用電磁線圈感應的方式把能量換成動能，但是因為複雜的結構以及金屬構造的限制，在有些地方，例如單純的肌肉狀伸縮、生物相容，不需要潤滑或是想做的更微小化上會受限制。
很多的研究在尋找更簡單把電轉換成運動的方式，這影片介紹利用介電彈性體(dielectric elastomer)來作為旋轉馬達。在白色高分子膜的兩邊有可變形的碳電極，當有外加電壓的時候，因為加在電極上的電壓會造成電荷累積，讓兩電極相吸，然後介電彈性體經兩側電荷的壓縮而伸長，只要幾組不同的伸縮膜就可以造成有方向性的旋轉收縮來造成轉動(這影片的設計是利用像是機械手錶的單方向上彈簧-ratcheting-的方式)。這樣的高分子經由電而產生變形的技術還被用在很多的地方，例如直接做成人工肌肉、微流體晶片上的驅動裝置、或是手機上觸控螢幕的觸覺回饋膜等等。
本文原發表於科學影像Scimage[2011-04-25]
本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文
林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。
「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。
這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。
高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？
科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。
回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。
林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。
因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。
太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。
熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。
儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。
學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。
他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。
他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。
這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。
林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。
訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？
林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。
在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。
大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。
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編按：尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla）的父母原本一直希望他繼承衣缽、成為一位牧師，然而在他少年時期有次感染了霍亂，被醫生宣判可能回天乏術，特斯拉對父親說：「如果你同意讓我去唸工程科系，我也許會好起來。」於是後來特斯拉的父親為他安排進入奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀，這裡也是特斯拉構想交流電發電機的起點。
一年的身體調養期結束之後，我被父親送到奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀，他為我精挑細選了這所歷史悠久、聲譽卓著的大學。這是我期待已久的時刻，在充裕獎學金的資助下，開始我的大學學業，我下定決心一定要在課業上有傑出表現。拜父親的教導和諸多機會所賜，我的學習底子優於一般學生。
進入大學之前，我已經學會多國語言，也啃讀了不同圖書館的藏書，多多少少汲取了有用的資訊。另外，這是我第一次可以選擇喜歡的科系就讀，所以畫圖再也不會成為我的困擾。
我立志要給父母親一個驚喜，所以第一學年我每天從清晨三點一直讀到深夜十一點不間斷，連星期假日都不放鬆片刻。由於同學們抱著學而不思的鬆散學習態度，我的學業成績自然技壓群雄。第一年結束，我通過九科考試，教授們認為我的表現值得給予超越滿級分的嘉獎。
我帶著這張獲得褒揚的成績單回家，在短暫休息過後，我滿心期待著能贏得父親的稱讚，但是看到父親對於我拚了命博得的榮譽一點都不在意的時候，我深感受傷，這件事幾乎扼殺了我的鬥志和雄心。
但是父親死後，我發現了一疊信件，全是學校教授寄來的，信上說除非父親把我帶離學校，否則我會因為用功過度而沒命，看完後，我悲痛難抑。
此後，我全神貫注在物理學、力學和數學上，閒暇時間都泡在圖書館裡。我的習慣是只要開始做一件事情，一定會有始有終，因此常常給自己招來難題。
有一次，我開始閱讀伏爾泰 (Voltaire) 的著作，看到有將近一百卷用小字印刷的皇皇巨著正等待著我去讀，令我驚慌——這個怪物每天喝七十二杯黑咖啡支撐自己寫作！我下定決心一定要全部讀完，但當我放下最後一本伏爾泰的作品時，感到無比暢快，說：「結束了！」
我第一年的表現贏得了教授們對我的欣賞，也與他們建立起情誼。包括了：羅格納教授，教授算術和幾何學；包施爾教授，教授理論及實驗物理學；奧勒博士，教授積分，專長在積分方程式，這位科學家的講課是我聽過最精彩的一位。奧勒博士特別關心我在學業上的進展，經常會在下課後留一、二個小時給我，出題讓我解答，我很樂意接受這樣的安排。
我跟他解釋我的飛行器構想，這項發明是建立在合理的科學原理上，不是天馬行空的幻想，我設計的渦輪機已經讓這部飛行器成真，很快就會展現在世人眼前。
羅格納和包施爾兩位教授都是求知欲旺盛的學者：羅格納教授的自我表達方式很奇特，每次都會引起一陣騷動，然後是一段長長的沉默和尷尬；包施爾教授是一位有條不紊、絕對理智的德國人，他有和熊掌一樣巨大的雙手雙腳，但他的實驗都被精準無誤的執行，展現如鎖芯般精密的高超精準技巧，沒有一點閃失。
在校第二年，學校收到一部來自法國巴黎的格拉姆發電機 (Gramoe Dyname) ，它有一個馬蹄鐵狀的層壓式場磁鐵，以及一個裝有整流器的繞線電樞。通電之後，這部機器展現了各種不同的電流效應。
包施爾教授在示範時，把它當作馬達在操作，結果電刷出現故障，火花亂竄，我在一旁觀察發現：沒有這些裝置，馬達仍有可能運轉。
包施爾教授宣稱不可能，並且請我就這個主題上臺報告，他最後在做總結時如此說道：「特斯拉先生也許會有了不起的成就，但可以肯定的是他永遠不會去實踐這個構想。這麼做無異是改變一個穩定的拉力，猶如把重力轉變成旋轉力，這是一個永動機的概念，不可能成功。」
但是，直覺超越知識，當邏輯推論或是其他想出來的方法都沒有用的時候，無疑的，我們大腦裡某些奇妙的神經纖維會驅策我們去發現真理。
有一段時間，我迫於教授的權威而猶疑不定，但是我很快就相信自己是對的，然後傾注所有熱情和年輕人的無窮信心，擁抱這個不可能的任務。
首先，我在心中勾勒出一部直流電發電機，使之啟動運轉後，緊盯觀察電樞電流的變化。然後，我會另外想像一部交流電發電機，觀察在相同情況下其運作過程。接下來，我則勾畫想像馬達與發電機兩種系統，並用各種方式測試其運作情況。
我心眼所見的圖像對我而言是如此全然真實，具體可觸。我在格拉茲的理工學院的剩餘時光都在全心鑽研這個問題，直到離校前依舊毫無斬獲，我差一點就要舉白旗投降，宣判這個問題無解。
「電動車」使用者一直跟行動不便的身障者、從菜市場滿載而歸的老人，或在觀光景點悠閒環湖的遊客劃上等號，只是現在，這種刻版印象應該要改觀了！
有鑑於其緩慢的速度，電動車長期被框架在既定使用模式下，但就在今年夏天，出現了一台不同於以往、甚至可以說是直攻痛處的智慧型電動車－Gogoro。究竟它是如何破解「魔咒」？這台挑戰限制的前驅者，其創新便是來自於它動能的靈魂──馬達：
馬達（又稱為電動機）是一種將電能轉化成機械能、再以機械能產生動能來驅動裝置的電氣設備。那馬達是如何運轉的呢？這要來談談「電」與「磁」之間的微妙關係，如果將指北針放在導線附近並通上電，就會觀察到指針有明顯的偏轉現象，這表示當導線中有電流通過時，其周圍會產生磁場（指受磁力所影響的場域範圍）。當通電的導線放置於以固定磁鐵產生的磁場內時，利用電流磁效應可使導線移動，若電流方向不變就會產生連續的轉動，因而產生動能。透過下圖的示意圖可以理解如何從磁場和電流方向，利用「右手開掌定則」來判斷受力方向。
知道馬達如何轉動後，該如何讓它的動力提高呢？這取決於「電磁鐵」磁場的強度，那電磁鐵又是什麼？電磁鐵便是以通電來產生磁力的裝置，從「右手安培定則」可以知道，當直流電通過螺旋狀的導體時會產生具有方向性的磁場，若在螺旋線圈中加入磁性物質（如鐵芯），此磁性物質便會被磁化且達到加強磁場的效果。一般來說，磁場的強度和電流大小、線圈匝數和磁性物質的材質有關，電流越強、線圈匝數越多，磁場就會越強，動力也會提高。
和一般市面上現有的電動車相較，Gogoro 的馬達產生的動力較高，但體積卻相較小上許多，這顛覆了以往馬達「越大越有力」的想法，其原因就在於它的獨門銅線纏繞技術。為了解密其中的技術，泛科學專訪了 Gogoro 研究團隊，團隊表示 Gogoro 的馬達原以電腦先行模擬、運算出銅線編織結構，再請經驗老道的師傅手工纏繞，但以普通方法並無法在預期的體積內完成此纏繞模式，「這不是科學上的創新，而是技術上的挑戰。」Gogoro 產品管理經理王光祖語帶堅定的說。Gogoro 研發團隊將整顆馬達模組化、切割成 12 等分，並在每等分上以自動化技術用更密集的方式堆疊銅線，「就像小時候玩四驅車一樣，要想辦法在一顆馬達上繞上越多銅線越好。」再以串接技術連接起所有銅線，組裝、固定成完整的馬達。
馬達在產生動能的過程中也會產生熱能，這時候冷卻系統就很重要了，冷卻系統能夠幫助動力系統在運作過程中達到熱平衡，不讓零件因過熱而損耗，尤其 Gogoro 在馬達體積縮小、維持高功率情況下，會達到更高的發熱密度。Gogoro 採用高效率的水冷系統，藉由冷卻液在水流道中循環帶走熱能，再經由散熱器的鰭片和外界的空氣進行熱能交換，以維持冷卻液的溫度。比起傳統水冷系統，這款水冷系統以模組化設計的散熱器配合車體空氣流道，來取代耗電的風扇與過長的水管，讓體積變小、質量更輕，不但提高整體的能源使用效率、導風效果更好，精簡零件避免了維修的風險，模組化設計也易於拆解、清洗。
除了動力系統本身以外，傳動系統和懸吊系統的配合也會影響馬達的功率輸出。比起需要維持扭力輸出而使變速系統損耗較大的汽油引擎，電動車的馬達只需要通電就能全扭力運轉，而 Gogoro 更是使用了輕量、高張力的碳纖維複合材質傳動皮帶，以及體積小、動力輸出平穩、效率更高的行星齒輪作為減速裝置。且不同於一般電動車將馬達置於後輪附近以利於驅動，Gogoro 則是將馬達置於車架中間，使後輪在行駛過程中所產生的跳動不會影響馬達構造，維持良好的壽命表現。
根據截自今年8月的統計，台灣的機車數量是約1,400萬輛左右，其中電動車約有3萬輛；每年各家機車廠商賣出約80萬輛燃油機車，電動機車卻不到9千輛。台灣交通環境下，一般人通勤還是以成本和功能為選擇考量，然而 Gogoro 不以車商角度自居，以自行開發設計、台灣製造和智慧化系統為賣點進軍電動機車市場。Gogoro 特製馬達的確給了電動機車彪悍的能耐，但是否能夠帶著 Gogoro 衝破現在環境、價格和使用習慣等挑戰，甚至往「行動能源」、「大數據」等願景前進，是值得關注的下一步。
參考資料：
一般的馬達是利用電磁線圈感應的方式把能量換成動能，但是因為複雜的結構以及金屬構造的限制，在有些地方，例如單純的肌肉狀伸縮、生物相容，不需要潤滑或是想做的更微小化上會受限制。
很多的研究在尋找更簡單把電轉換成運動的方式，這影片介紹利用介電彈性體(dielectric elastomer)來作為旋轉馬達。在白色高分子膜的兩邊有可變形的碳電極，當有外加電壓的時候，因為加在電極上的電壓會造成電荷累積，讓兩電極相吸，然後介電彈性體經兩側電荷的壓縮而伸長，只要幾組不同的伸縮膜就可以造成有方向性的旋轉收縮來造成轉動(這影片的設計是利用像是機械手錶的單方向上彈簧-ratcheting-的方式)。這樣的高分子經由電而產生變形的技術還被用在很多的地方，例如直接做成人工肌肉、微流體晶片上的驅動裝置、或是手機上觸控螢幕的觸覺回饋膜等等。
本文原發表於科學影像Scimage[2011-04-25]
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