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]
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：
文／曾吉弘（CAVE教育團隊）
本期專欄將與大家介紹如何使用Slider 滑桿元件來分別控制樂高機器人馬達的轉速與方向。滑桿元件好比是電玩遊戲機的類比搖桿，提供了比按鈕更細緻的操控效果。
樂高公司所生產的馬達種類約有十數種，其中NXT 馬達是輸出扭矩最大也是最有份量的一款馬達，相對地耗電量也是相當驚人。另一方面，NXT馬達是所有樂高馬達中唯一有配置角度感應器的馬達，透過角度感應器我們可以精確指定馬達轉軸之旋轉角度（最低為1 度），甚至經過計算之後可轉換為機器人行走的距離，非常方便。在App Inventor 中是透過NxtDrive元件來控制樂高NXT 馬達，雖然控制功能不如其他程式語言例如C 語言或是LabVIEW 來得豐富，但是基本操作也是相當足夠了。圖1a 是NxtDrive的屬性設定欄位，由於本範例要使用三個Slider 元件分別來控制三個馬達，所以需要三個NxtDrive 元件， 將其DriveMotors 欄位分別設為A、B 與C，代表控制樂高NXT 機器人的A、B 與C 馬達。至於WheelDiameter 代表目前所使用的輪胎直徑， 單位為公分。
在此不必理會此欄位，因為它不會影響到本範例的操作效果，我們會在日後的專欄來介紹如何使用它。
請把NXT機器人組裝好，並將左側馬達接在NXT的輸出端B，右側則是輸出端C（註1）。請確認NXT主機的藍牙是啟動的，接著將NXT主機與 Android手機進行藍牙配對（註2），完成之後就可以把機器人放到一邊了。啟動藍牙之後您可以從NXT主機的螢幕左上角看到藍牙的符號。
接下來依序介紹程式的各個功能：
STEP1 登入畫面：
首次進入程式的畫面如圖2a ， 只有「NXT 裝置清單/ 連線」按鈕可以按，其它所有按鈕都無法操作。點選「NXT 裝置清單/ 連線」按鈕後進入藍牙裝置清單（圖2b），請找到剛剛配對完成的NXT 主機名稱（本範例為abc），點選之後就會由Android 裝置對NXT 主機發起藍牙連線。順利連線成功的話，就可拉動Slider 滑桿元件來控制馬達轉速（圖2c）。
圖2a 程式首次執行的畫面。
圖2b 點選連線按鈕後進入藍牙裝置清單。
圖2c 連線成功後才可進行相關操作。
STEP2 程式初始化：
在點選連線清單之前（ListPickerConnect 的BeforePicking事件）， 需先將清單內容指定為Android 裝置上的藍牙配對清單（圖3a）。點選之後則先測試連線是否成功，成功則將「選擇感測器」與「開始唸/ 停止」設為可點選（圖3b）。
STEP3 使用滑桿控制馬達電力：
在設計的想法上，我們希望滑桿拉到最左邊時，馬達電力為-100（全速反轉），拉到最右邊時馬達電力為100（全速正轉），置於中間時電力則為0 ，同時也讓馬達停下來。
由於滑桿元件最小值只能為0 ，因此我們將滑桿的最大值改為200 ，後續運算再減100 就可對應到馬達電力-100~100 的範圍了。至於滑桿的初始位置則設為100 ，即滑桿正中央處。
拉動滑桿時， 會呼叫Slider 的PositionChanged 事件並帶入thumbPosition 參數， 我們就是要用這個參數來控制馬達的電力。在圖4中，我們將滑桿位置thumbPosition_A 減去100 之後四捨五入， 指定為power 變數的內容， 這就是馬達的電力。接著將相關數值顯示於畫面上， 最後呼叫NxtDrive 的MoveForwardIndefinitely 指令並塞入power 變數值就好了。這樣當滑桿位於最右側時，thumbPosition_A 的值為200 ，power 變數值為200-100為100 ，代表馬達正向全速轉動。
STEP4 定義副程式：
您應發現了三個Slider 元件做的事情好像大同小異，這時候就可以將這些類似的指令包成一個副程式，不但程式的可讀性變高，日後要修改程式時也更加方便。本範例中宣告一個名為move 的副程式，並可傳入一個參數。當我們拉動SliderA 時，就會傳入一個文字A 給move 副程式。因此的程式可以簡化變成以下的樣子（圖5a）：
我們將文字A 傳入move 副程式之後， 就都交給它來處理了。那麼，move 副程式裡面到底發生了什麼事呢？ 在move 裡面， 我們會判斷接收到的參數motor 內容是否等於「A」，如果是的話就執行圖5b 的內容， 圖5b 的內容是不是和圖4 是一樣的呢？
那麼另外兩個Slider 事件您應該已經知道怎麼做了，就是分別送出文字「B」與「C」，並在move 副程式中進行對應的判斷與動作（圖5c）。這樣一來我們就能集中管理程式碼了。
STEP5 停止所有馬達並將滑桿歸零：
為了方便起見， 請新增一個按鈕，按下之後會三個Slider 元件的滑桿回復到正中央位置，同時也會將power 變數值歸零，馬達也就停止轉動（圖6）。
STEP6 斷線：
按下「斷線」按鈕之後，會中止藍牙連線（BluetoothClient.Disconnect指令），並使按鈕恢復到未連線時的狀態（圖7）。
實際執行的時候，請先確認NXT 已經開機且藍牙也啟動了，並將NXT 接上三個馬達（ 圖8a、8b、8c）。接著在Android 裝置上點選程式畫面中的「連線」按鈕，會進到藍牙清單畫面，點選您要的NXT 主機名稱並連線成功後，就能拉動滑桿來控制，或按下「停止所有馬達」按鈕來停止馬達。
圖8a A 馬達電力82% 正轉。
圖8b B 馬達電力34% 正轉。
圖8c C 馬達電力46% 反轉。
本範例介紹了Slider 滑桿元件，它提供了更細微的控制， 善加利用它，您的機器人會有更多有趣的功能。程式模組化是非常重要的程式開發觀念，希望您可以藉此建立起良好的基礎。
期待您從本期專欄的內容來激盪出更多有趣的火花。請繼續關注CAVE 的機器人專欄唷！
歡迎大家由以下連結或掃描以下的QRCode 來下載本程式：
本程式已上架Google play，請到Google Play 搜尋「CAVE 教育團隊」就找得到我們的樂高機器人系列app 了。在App Inventor 中文教學網上直接下載本範例的App Inventor 原始檔與apk 安裝檔。
註1： 想學如何開發App Inventor 程式嗎？ 請到AppInventor 中文學習網與我們一同學習。
註2：將Android 手機設定為可安裝非Google Play 下載的程式以及讓手機與樂高NXT 主機連線等說明請參考這裡。
註3：與NXT 連線後如果出現[Error 402] 之錯誤訊息請不必理會，程式依然能正確執行。
文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2013/7月號
Peggy Sha
Amber Wu
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