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介電彈性體的軟馬達! dielectric elastomer actuator creates rotary motion

Scimage
・2011/04/25 ・380字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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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烘焙東西軍,有添加麵包 vs. 無添加麵包,今天想吃哪一道?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/20 ・2178字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 家樂福食物轉型計畫 委託,泛科學企劃執行。

  • 文 / 陳彥諺

《烘焙東西軍》熱映開播啦!這一集真的很「熱」,因為節目邀請到了兩位烘焙達人來到現場熱烘烘的烤!麵!包!

第一位華麗登場的,是有著亮麗小鬍子、動作咻咻咻超有效率的「有添加師傅」,另外一位古意老實、動作慢條斯理的,則是近年來越來越被看重的「無添加師傅」——這是一場「有添加」與「無添加」的世紀大對決!

《烘焙東西軍》這次邀請了「有添加師傅」和「無添加師傅」來烤麵包。圖/家樂福提供

「有添加」與「無添加」的世紀大對決

外表亮麗的有添加師傅,其實早已憑著「三好」稱霸市場多年。所謂的三好,是好快、好吃、好美!為何會這麼說呢?

食品添加物存在於食品中許久,早期因為食物加工技術不夠精良,為了食品安全無虞,便添加可以讓食物安定的添加物,延長保存期限。又因為食品添加物可以改變食品的外觀、口感、縮短製作時程等,因此,長期以來受到業者及消費者的偏愛。

有添加師傅憑著「好快、好吃、好美」稱霸市場多年。圖/家樂福提供

不過,近來由於食安事件頻繁,食品添加物早已偏離了原先讓食物安全的初衷,在追求好吃、好快、好美的背後,卻可能造成身體上的負擔與健康風險!製造過程是否安全合理?乾淨衛生?也是打了許多問號。

再加上現在因健康養生的意識抬頭,消費者們越來越注重吃下肚子的食物成份,開始努力追求簡單無添加。也因為隨著食品加工技術越來越棒,能夠透過改善製程,有效減少添加物的必要性。終於,在消費者意識抬頭、技術成熟等各方條件皆備下,古意老實、耗費工時的無添加師傅,多年以後,開始受到矚目啦!

在這場世紀對決中,有添加師傅在民眾都還來不及反應時,就已經做好了熱騰騰的麵包,每一個麵包都飽滿好看、香氣濃郁,簡直是施了魔法一樣!但見到這麼多食品化工添加物做出來的麵包,難道就不能有更健康的材料選擇或做法嗎?

反觀無添加師傅,他按部就班的從麵粉開始精心挑選,接著再逐一加入可以溯源的材料,接下來,順應麵包的特性自然發酵。即使有添加師傅已經端出熱騰騰的麵包了,無添加師傅仍然不為所動,他循序漸進,寧可耗時製作,堅持做自己的無添加麵包。

無添加師傅之所以堅持,那是因為他秉持著麵包不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統法國工法,做出來的麵包也可以照樣香氣四溢、美味好吃,更重要的是每一口都吃的健康又安心!

無添加師傅堅持不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統工法。圖/家樂福提供

當兩位師傅的麵包端上評審桌⋯⋯

有添加師傅的麵包外表金黃澎潤漂亮,無添加師傅的則是外表非常質樸。

不過,當評審們吃下麵包後,外表質樸的無添加師傅,竟然擄獲了評審們的心!

怎麼辦到的呢?這是因為花了較多時間製作的無添加麵包,保濕度較佳,口感也較有層次。當評審一口接著一口品嚐,會發現吃的都是食物的鮮甜原味—無添加麵包是名為「裸麵包」的寶藏男孩啊!他不同於外表上看起來質樸敦厚,只要用心切開,裏頭包裹著滿滿新鮮在地的果乾和堅果,是誠心誠意的美味。

烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是怎麼來的?

堪稱烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是來自於家樂福自製的烘焙產品。長期關注食物真實性與為顧客把關健康的家樂福,2014 年就開始著手了「無添加驗證計畫」,也在 2019 年取得了「A.A. 無添加驗證標章」,更透過第三方專業機構親赴產線檢驗、不定期抽查等層層審核程序,取得了嚴謹認可。

要打造寶藏男孩般的「裸麵包」,並不是容易的事。許多標榜安心安全的麵包,都只能做到製程及配料上的無添加;而追求極致的家樂福,自製白吐司則從特製 100% 的無添加麵粉開始,掌握源頭,做最純淨、最真實且赤裸的麵包。

這是一款依循歐盟規範,取得 A.A. 無添加標章,第三方驗證後可信賴的麵包。

這是關注在地的暖心麵包,嚴選在地好食材、講求動物福利,選用當季水果、非籠飼雞蛋、透明鮮奶、以安佳奶油取代人造奶油⋯⋯。

這是減塑又減廢,以醜蔬果製作配料,減少食材浪費,更導入環保包材,友善環境的麵包。

烘焙東西軍「有添加師傅」與「無添加師傅」的對決,我們看到了,天公疼憨人,穩扎穩打、工法較繁複的無添加製程,受到消費者的青睞——這一場對決,由純粹、誠實、充滿善意的裸麵包,「無添加師傅」獲勝。

【家樂福食物轉型計畫】烘焙東西軍「有添加麵包」v.s.「無添加麵包」的世紀對決,今天你選哪一邊?影/YouTube
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交流電發電機的勾勒起點,發明鬼才與他的大學生活——《被消失的科學神人‧特斯拉親筆自傳》
PanSci_96
・2020/12/12 ・2484字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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。

為不讓父親失望,一天只睡四小時

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。

特斯拉在大學第一學年為了給父母親一張榮譽的成績單,拼命讀書。圖/Pexels

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。

大量閱讀與討論,發明構想與科學原理的加成

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!」

特斯拉開始閱讀伏爾泰的著作後,便下定決心要讀完。圖/柿子文化

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。

發現真理需要敏銳直覺與細心觀察

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。

23 歲的尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla),1879年。圖/STORE NORSKE LEKSIKON

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。

——本文摘自泛科學2020年12月選書《被消失的科學神人:特斯拉親筆自傳》,柿子文化,2019年01月。
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Gogoro的馬達有比較特別嗎?–馬達技術解密
PanSci_96
・2015/10/18 ・2434字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

source:William Li
source:William Li

「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。

未命名

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。

未命名

未命名

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。

未命名

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。

未命名

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。

未命名

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。

source:William Li
source:William Li

參考資料:

 

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