向生物學習設計跟解決方案! Janine Benyus shares nature's designs

不管是自然界的生物或是人類所面臨的都是同一個物理世界, 所以許多人類面對的技術跟設計問題自然界的生物早已處理過並找出了好方法. 比較自然生物跟人類處理跟製造物品最大的不同是人類幾乎都是利用破壞環境跟產生多數廢物的方式製造少數有用的東西, 就像是電子產品的生產總是伴隨著有毒物的排放.而生物的解決方案總是幾乎沒有廢棄物考且不會破壞週遭的環境, 因為這樣才能確保自身種族的生存. 以這觀點來看, 人類的科技比起大自然的方案還處在很初階的階段. 講者以貝殼生長控制為例, 說明簡單的蛋白質釋放控制就可以調節貝殼結晶的成長跟終止, 說明大自然早就處理了很多工程物理問題. 生物科學的在未來不僅是了解生物做了什麼, 還要能從中找出邏輯利用生物的解決方案來引導人類找到更合理更跟環境相容的工程設計技術. 裡面列舉了12個最有可能改變目前技術的仿生技術,分別是:自主裝,CO2固定作用與光能利用, 生物力學外型設計, 光子晶體與自潔表面, 水氣凝聚, 礦物分離, 綠色化學, 可控制分解結構, 乾燥與修復保存, 感知與反應, 生產且肥沃土地, 環境友善技術等. 對每種技術都提出可能的應用的構想,期許一個新的仿生物方案的新工程典範.


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不結冰珠的表面! Design of Ice-free Nanostructured Surfaces

雖然台灣很少有雪, 也沒有冰風暴, 但是在寒冷的國家, 怎麼讓表面不結冰是很重要的問題. 一般的方式有利用對表面加熱或是利用甘油,鹽等物質來除冰. 這些方法不是耗能就是會造成環境污染. 下面的影面介紹在不同的表面其實水珠結冰的過程非常不一樣. 現在的奈米科技可以藉由控制表面的微結構來控制疏水性. 影片是用10000FPS拍攝的水珠滴落30度斜面的表面上結冰的過程. 在一般的表面, 當水珠攤平的時候就同時結冰了, 在疏水性的表面會在水珠回聚之後才結冰, 如果是超疏水表面水珠就直接彈走不結冰. 這研究展示不同的表面怎麼影響熱傳跟水珠的結冰過程, 以後或許可以用在汽車或是房屋上來控制結冰的程度.
學術文獻
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電熱共生-太陽史特林引擎! Solar-Powered Stirling Engine

很多人都學過卡諾循環, 只要控制熱源的有無還有壓縮釋放氣體的方式就可以利用熱來做功. 但是在實際上, 卡諾引擎的過程很難對應到好的機械設計, 所以並不實用. 史特林引擎事另外一種熱引擎, 跟卡諾引擎的不同是它有一個高溫跟一個低溫的的氣缸, 利用時序的機械設計來處理氣體的熱膨脹跟冷卻, 所以可以在兩個汽缸有溫差的情況下持續工作, 不需要像卡諾引擎需要切換高溫跟低溫. 這影片是介紹利用太陽光來驅動的史特林引擎, 利用了塑膠的平面透鏡來聚光可以讓局部的溫度上升到五百度. 引擎的機械運動跟冷卻可以同時產生電力跟熱水. 這樣的過程如果經過好的設計, 目前可以達到比太陽能板發電更好的效率. 太陽能電板雖然很被看好, 不過目前生產的方式還是很昂貴跟高污染. 同時研究不同的陽光利用方式跟針對需求來設計光電或是光熱轉換或許能更幫助再生能源的發展!

引擎簡介
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雷射遠端驅動的直昇機! Lasercopter

如何在不需要電線情況下把能量提供給電子裝置除了省掉惱人的電線, 在一些特別的場合,像是RFID或是未來的電動交通工具也有不同可能的應用, 目前在一些小行動裝置上也已經有產品. 現在短距離的傳輸大概都是利用線圈跟電感的方式. 不過這樣的方式並不適用長距離的傳輸. 特別像是遠端的衛星或是無人飛機. 這些裝置上能源都是很珍貴的資源, 如果能遠端供電會幫這些裝置提供更多使用上的彈性. 這影片介紹展示利用雷射來對一台模型直昇機提供能源. 方式就是利用太能能電池把雷射的光能轉換成電能. 這樣的構想其實在很久以前就被提出來, 不過這種傳輸方式主要必須面對電能轉成雷射的耗損,跟太陽能轉電能的效率這雙重耗損. 以往這兩個過程都不太有效率, 所以沒人去實現. 不過最近在半導體雷射跟太陽能電池都有很大的進步, 這樣的過程變成有利用的價值. 這影片是利用聚紅外的半導體雷射陣列去然後驅動一台大約300克的模型直昇機幾個小時. 雖然真正的遠距離傳送還必須克服大氣對光的干擾, 不過最少展示了這樣的機制在目前已經可行了.


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全天飛行的太陽能飛機! Solar plane completes maiden flight

太陽能常常被認為不足夠提供夠多的能量來維持某些需要汽油的活動,特別是在交通工具上. 這影片介紹一個計畫, 希望能像全世界展示太陽能可以讓飛機在世界飛行一周而不需要消耗任何石化能源. 在一兩個月前這計畫已經證實目前的飛機設計可以全天飛行了. 為了要節省飛行所需的能量, 這飛機的機身幾乎碳纖維材料組成, 重量大約一輛汽車, 可是機翼的長度比大型的民航機還要長. 上面布滿了太陽能電池. 利用白天的太陽能對電池充電, 然後電力利用在夜間的飛行. 目前的飛行方式是白天飛到雲上吸收能源, 夜間下降高度節省能源. 這計畫有很多科學人員參與, 因為這樣的目標需要很好的飛行機構設計, 需要電腦模擬什麼樣的結構能最省能源的飛行, 還有能源地收集跟分配計畫等. 當然全天飛行的實現也很依賴電池技術的進展. 這樣的一個計畫可以讓人去思考在能源有限的情況下, 什麼才是最好的設計, 也向人展示其實有合適的設計, 對太陽能的利用還有很多可以進步的空間!

網站
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小型震動發電機! vibration-powered generator

現在有不少的研究關注在利用震動來發電, 除了大規模發電, 像是在車站道路那種發電以外, 在某些特殊的場合,尤其是電源不方便的地方, 如果能利用周圍有的震動來發電, 對一些需要電源的感測器會很有幫助. 這影片介紹利用駐電體electret跟互補的電極來作為發電的核心的震動發電. 有別於壓電裝製常常需要比較大的力去來造成壓電晶體本身的小變形的方式去發電, 這種利用駐電體electret跟電極滑動的方式, 可以利用比較小的力跟比較大變形來發電. 在某些場合會比較方便, 像是只要附著在震動的物體附近就好, 不需要直接受壓. 這樣的裝飾如果配合上無線傳輸應該在某些場合有用. 另外這種利用周圍可能電力來源的方式, 像是熱源或是光, 應該會越來來多. 　

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太陽能電池轉換極限在哪？

http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/328/5985/1543
http://big5.ce.cn/cysc/ny/xny/201007/06/t20100706_20429069.shtml

《中國能源報》 孫崇泉人-類應如何逐步擺脫對化石燃料的依賴？這是世界各國政府和科學家一直致力於解決的問題。可再生能源無疑是替代化石燃料的首選，而太陽能作為一種易獲得、儲量豐富的可再生能源，是研究人員努力發掘的焦點。然而太陽能電池轉化效率低下卻始終是人類利用太陽能的攔路虎。目前，常規太陽能電池最高轉換效率僅為30%左右。但這一現狀馬上就會有革命性的突破。美國研究人員最近在太陽能電池技術上的新突破可能會讓太陽能電池的轉換效率連跳兩級，從現在的30%直接增加到66%！

　　近日，在《科學》雜誌上，來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的化學家朱曉陽（音譯）博士，通過對半導體奈米晶粒（又稱量子點）的最新研究後表明，常規太陽能電池的轉換效率可由現在的30%的極限效率提高到超過60%。

　　束縛太陽能電池發展原因

　　太陽能電池的轉換效率之所以會有如此飛越，是因為科學家發現了一種可以有效捕獲在常規太陽能電池中以熱能形式損耗掉的高能量太陽光的方法。目前使用中的大多硅太陽能電池最大轉換效率僅為約31%，那是因為太陽光照射在太陽能電池上時，太陽光線中有很多能量太大以致于不能轉換為可使用的電能，這些能量即以所謂的“熱電子”的形式、以熱能的方式損耗。

　　如果這些高能太陽光線，即熱電子能夠被捕獲，那麼太陽光向電能的轉換效率從理論上來說就可以提高到66%。德克薩斯大學材料化學中心的負責人、化學教授朱博士說，他們將轉換效率如此驚人的太陽能電池稱為“終極的太陽能電池”。而要製造出這樣的電池，需要幾個步驟。首先，熱電子的冷卻速度需要放緩；其次，在這些熱電子失去它們所有能量之前，要能夠將其俘獲並儘快地使用。

　　量子點解決難題

　　朱博士介紹說，半導體奈米晶粒或量子點恰好可以滿足上述利用“熱電子”的要求，因為首先量子點可以讓熱電子釋放熱量的速度變慢，這一點在許多研究機構中已經得到證明。在2008年度《科學》雜誌的一篇論文中，來自芝加哥大學的一個研究小組的研究成果表明，在膠狀半導體奈米晶粒中可以確信能夠達到熱電子冷卻速度減緩這一目的。而現在朱博士的研究小組已經解決了這個問題的關鍵第二步，即如何獲得並利用這些熱電子。

　　德州大學的研究發現，熱電子可以由光激勵硒化鉛奈米晶粒中轉移到二氧化鈦組成的電子導體上，而二氧化鈦電子導體目前已經被廣泛應用，十分容易獲取。

　　“如果我們能夠取出這些熱電子，那麼我們可以讓其為我所用。這種熱電子轉移方式的證明，表明瞭高效熱載流子太陽能電池不再僅僅是一個理論上的概念，而同時也具有實驗上的可能性。”朱博士介紹。儘管此次研究人員使用的是硒化鉛量子點，但朱博士表示，他們的方法對其他的量子點材料也同樣適用。

　　朱博士同時提醒人們，這僅僅是科學的一小步，人們還需要更多科學以及工程上的研究才能製造出一個轉換效率高達66%的太陽能電池。

　　另外值得一提的是，目前朱博士等人正致力於解決這一科學難題的第三個方面：將熱電子連接到電導線。

　　朱博士說：“即使我們能從太陽能電池中取出這些熱的、快速運動的電子，但是它們在連接導線上同樣會以熱能形式損失。因此我們下一步的目標就是調整連接到電導線的介面化學特性，以最大限度地減少這部分的額外能量損失。我們希望最大程度地獲得太陽光線中的能量，這就是終極太陽能電池。”整個研究項目由美國能源部提供資金支援。

　　外界反響熱烈

　　朱博士這一技術上的成就也讓整個能源領域眼前一亮。有專家表示，這一進步是十分振奮人心的。相對於化石燃料發電，目前硅太陽能電池的成本過高，在沒有大量的政府補貼情況下，利用太陽能發電的成本偏高。隨著太陽能電池效率的提高，以及與化石能源相對持平或更低的電池生產成本，人類即將提前進入太陽能時代。化石燃料讓人類付出了嚴重的環境代價，研究人員表示，隨著科技的進步，有理由相信50年之內將百分之百地全部利用太陽能。

　　除了可再生能源行業外，即使與可再生能源相對的化石燃料行業的工作人員也為朱博士的研究鼓掌。一位美國石油行業普通工作人員柯蒂斯表示：“作為一個在石油工業及傳統的下游工業時代的受益者，我為朱博士和他的合作夥伴而鼓掌！我們需要進行這種研究，先設置好一個實際的可再生能源目標，然後找出解決擋在前面的難題的辦法。”

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新冷氣技術省電九成

http://www.nrel.gov/features/20100611_ac.html
http://news.sina.com.hk/cgi-bin/nw/show.cgi/3/1/1/1555777/1.html

【明報專訊】美國國家再生能源實驗室（NREL）研究出新款冷氣機冷凍系統DEVap，利用新發明的液態乾燥劑製冷，大大降低製作成本之餘，可節省多達九成電力，並特別適用於潮濕地區。NREL已為技術申請專利，會以特許形式與冷氣業界合作開發。

適合潮濕地區

冷氣機除了要有製冷功能，亦要有效保持低濕度。對比傳統冷氣省電的揮發式冷卻系統（evaporative cooler），由於會提高空氣中的濕度，一般只適用於乾燥環境，潮濕地區難以發揮最佳功效。市面上較新的技術Coolerado，以間接揮發式製冷，雖然不會增加空氣濕度，仍不適用於潮濕環境。至於NREL發明的DEVap系統，利用乾燥劑保證冷空氣保持低濕度，解決上述問題。

不涉雪種有害物質

NREL的機械工程師Eric Kozubal表示，以乾燥劑配合揮發式冷卻系統並非破天荒概念，但過往從未有人成功把兩者結合，同時又合乎經濟效益。而過往運用乾燥劑的冷氣機系統由於體積較大，通常只適用於工業用途，未能引進家用冷氣，NREL的設計利用結合乾燥劑與揮發性冷凍劑的薄膜，於空氣流通時同步製冷及吸濕，省時省電之餘亦解決體積問題。

由於DEVap並非使用雪種，不涉及CFC或HCFC等有害物質問題。DEVap與目前市面上最新款的冷氣機比較，省電五成至九成。Kozubal表示，實驗室未來幾年會致力把DEVap的體積做得更細小，以及壓低製作成本，預計未來會以特許形式與業界開發家用型DEVap冷氣。

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太陽腳踏車系統! Solar Parking Lot installation in Setagaya

把太陽能來當作很多機器的動力已經很常見了, 現在研究的重點是怎麼在合適的地方合理的使用. 日本的三洋公司在是世田谷建立了第一個實際運做的太陽能充電腳踏車租借系統. 利用停車場的太陽能板對電動腳踏車的電池充電, 在借出腳踏車的同時再裝上電池. 因為是單一作用的太陽能充電系統, 所以在電力的轉換上都是利用直流對直流的充電, 沒有轉成交流, 讓能源的轉換率較高. 才開始設置不知道最後能不能維持下去. 如果經由類似的系統, 讓電池的充電跟租借當作一種分配太陽能到合適地方的方式, 一方面專於用電池充電的太陽能轉換效率可以更好, 另一方面不一定每個人家裡還是每個物品都裝上都裝上太陽能板才利用太陽能, 這樣的太陽能充電可交換電池或許能給能源利用多點設計的空間.

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溫差發電機 ! Thermoelectric power generator

怎麼樣有效的利用能源是未來最重要的事情之一. 除了再生能源以外, 其實還有很多被浪費的能源可以被回收. 這影片是展示利用溫差來發電的小裝置. 在一的大的散熱器上裝上珀爾元件 (peltier elements, 利用溫差產生電壓元件, 常用於電腦晶片的散熱) , 在元件的上面放上冷的或是熱的東西, 就可以產生電壓, 帶動風扇轉動. 影片的前半是放上冰枕, 可以看到風扇往逆時針轉動, 影片的後半是放上熱飯團, 風扇變成往順時針轉. 最後甚至用手溫就可以帶動風扇. 像是日曬或是其他的熱源都有機會能來發電. 目前這種技術還需要克服效率的問題, 需要材料科學跟好的微結構設計來改進.

相關學術文獻
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大水蛇波浪發電機! Giant rubber snake wave power

怎麼有效的利用再生能源一直會是人類要面對的問題. 除了風力跟水力以外, 也越來越多的研究關注在波浪的發電. 這影片介紹一種很奇妙的大水蛇裝置, 可能可以有效的利用波浪來發電.　裝置就是一個像大水蛇的橡皮管, 前段半固定在接近海面的地方, 後端掛著發電機. 整體貼近在海面上, 當有波浪在大水蛇上面經過的時, 就會帶動一團水從前端傳到後端, 帶動發電機發電.　基本的原理就是利用橡皮管的彈性跟波浪傳播時壓力波, 讓橡皮管的彈性反應正好跟波速可以配合,　一口一口把水往後傳. 目前已經在波浪實驗槽驗證過可行. 這種裝置因為簡單或許能應付長時間的海洋環境, 在未來提供另一種能源的來源.

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螺旋管風力發電機! Spiral Magnus

風力發電雖然是再生能源, 但是旋轉的葉片也帶來了對棲息鳥類或是蝙蝠的衝擊. 其實大自然只告訴我我們大氣運動有很多能量, 卻沒有說一定要用像電風扇的發電機組去發電. 這影片是一家公司的新風力發電設計, 設計上利用了很多有螺旋溝紋的管子取代傳統的葉片. 當有風的時候, 風因為溝紋而會帶動個別管子旋轉, 而旋轉管子在風中又會造成通過氣流的上下壓力不同, 進而使管子模組整體旋轉來帶動發電機. 這種旋轉管子的原理有點像棒球的變化球飄浮的機制. 這種設計可能在低風力的情況下提供比葉片設計更大的發電能力, 另外因為轉速慢又安靜, 對環境還是生物的衝擊可能比較小. 另外一個額外的優點是因為慢圓管, 所以很堅固, 可以抵擋像是颱風哪種劇烈的風速. 這只是個例子, 或許還有更多可能的設計等人去想出來來喔!

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病毒電池! Virus Battery

電池是很多目前隨身電子用品發展的瓶頸, 相對於電子元件的進步, 電池進展卻慢的多. 要構成好的電池, 除了選對材料跟化學反應之外, 最重要的就是控制微觀的結構,可以在同樣的地方進行更多的反應或是讓反應都順利進行. 這影片介紹利用病毒當作金屬材料模板的方式來建立電池的微結構. 首先利用DNA序列篩選可能會跟金屬有作用的嗜菌體, 然後利用細菌來放大這些病毒的量, 在過程中添加各種合適的金屬. 然後某些病毒就會把這些金屬材料在自己身上組裝起來. 因為病毒的大小很小, 外觀也很有規則, 這種方式有可能可以產生很多一些其他方式難以產生的奈米結構, 或許有機會當作新一帶電池的材料!


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體內血糖計! RFID Tags Used Check Blood Sugar

RFID已經慢慢進入社會, 從倉儲系統到捷運都看的到它的身影. 因為可以無線的讀取晶片上的資料, 所以RFID也很合適做一些真的需要遠端無線的工作. 量測血糖一直是糖尿病患很大的負擔, 這影片介紹一種米粒大小的膠囊, 可以在植入體內量測血糖, 而量測的數據直接用RFID的方式讀取出來. 這樣一來就免除了必須採血才能量測的過程. 當然量測的膠囊仍需要電力, 這部分因為電力需求不大, 所以可以用無線線圈充電的方式, 在量取的時候同時由外部提供電力. 這樣的概念應該可以被用在其他醫療相關的小裝置上. 或許以後很多人體的數據都可以經由這種方式不需要侵入式採樣就可即時得知!

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