台大生機系 陳世銘教授

1.請問您“生物產業機電工程學系”在學習什麼知識？為什麼要分為：機械與系統、量測與控制、材料與程序三個不同領域？

首先要說明機電和電機是不同的，雖然字面上只是順序不同。生物產業機電工程是整合機械、電子、資訊、控制、化工等工程知識，並應用到生物產業的學門。雖然從十餘年前以來，本系就已在進行生物機電方面相關的研究和教學工作，不過一直到2000年8月本系才順利將農業機械系正名為生物產業機電工程學系。過去我們許多技術之應用以農業為主要對象，現在則從農業進一步擴大到生物產業。生物產業除了原本的農業與食品外，也包括醫療保健、生化製藥、環境保育、生物材料等。

因為生機系是一個綜合許多知識的工程科系（畢業生授以工程學位），生物產業又具有多樣性，所以本系的發展是相當多元化的。大學部份總共有必修122個學分、選修21個學分，畢業共計143學分。必修122個學分中，除了基礎科目例如物理、微積分、工程圖學、計算機程式語言等科目外，還有化學、生物、有機、生化必須學習。工程方面包括：材料、電子學、流體力學、熱傳學、機械元件、控制、機電整合、微處理機、感測以及生物程序工程等科目。本系為大四學生留下比較多的時間做學士論文，這也生機系的特色之一。

為提供學生能更有系統的學習規劃，本系將課程分為三大領域：機械與系統、量測與控制、材料與程序。過去很多機械是單機功能，且各自為政，如何整合、溝通、交握、控制各個單機以及資訊化，是非常重要的自動化及最佳化的課題；即使是單部機械，目前也是結合智慧型的控制，使功能更有彈性及加值化，所以機械和系統被歸為第一個領域。第二個領域是量測和控制，基本上感測可以看成是我們人類眼睛的功能，眼睛觀察完成後，需經過大腦之判斷與決策，然後指揮控制手腳去反應及動作，例如機電整合包括了機構、感測、控制等技術，生化反應製程之監控也是一樣地需要感測、判斷與控制，決策支援系統常常是扮演關鍵的角色。至於第三個領域是材料與程序，程序工程包括了生化製程、發酵程序工程、電化學系統工程、廢水處理等；材料之發展日新月異，如何將它應用在生物產業，對材料之物化特性的瞭解很重要，為了瞭解了它的性質，就有必要進行生物感測。生物材料之生理特性也是令人著迷之新領域。不過，領域不是分別獨立的，領域間的整合是非常重要的，而且也是有意義的。

2.“生物產業機電工程”與“生命科學”、“生物技術”有什麼區別？

生物產業對本系來說是一個應用的對象。至於生物機電工程與生命科學、生物技術有什麼不同？我以化學和化工為例加以說明，兩者彼此雖有重疊的部分，但主要的差異是前者在實驗室；後者為產業著眼。譬如A＋B生成C之化學反應，化學科學家在實驗室內進行實驗分析得到最佳的反應溫度、壓力或催化劑…等條件。化學工程師則將實驗室結果應用到產業之實際生產，由實驗室的燒杯或小型反應器 scale up 到工廠的量產規模時，溫度、濃度將不再均勻，溫度梯度、濃度梯度的問題該怎麼克服呢？這是化學工程師要去探討的問題。生物機電工程與生物技術、生命科學的區別也是與前例類似，生物技術、生命科學比較是屬於基礎研究，而生物機電則著重在工程應用，而且生物機電與生物技術、生命科學是相輔相成，都是國家發展生技產業重要的基礎。

3.“生物產業機電工程”具有著跨領域的特性，重視科技的整合應用，如何將生物與工程結合呢？

我舉例來說明比較具體。先以生物材料，如胚胎或細胞之冷凍保存為例，若急速冷凍，細胞內之水份因沒有足夠的時間離開細胞而造成冰晶(ice crystal)，將會使細胞因膨脹而破裂；反之，若慢速冷凍，細胞內之水份因有足夠的時間離開細胞，造成細胞脫水以及細胞內溶質濃度提高而造成對細胞之傷害。因此如何提高存活率，冷凍及解凍過程工程技術之掌握是很重要的，這是本系將生物與工程結合的一個研究例子。

再舉一例，在自然界中，幾丁質（Chitin）是地球上含量豐富的胺基醣型式的多醣，含量僅次於纖維素。幾丁聚醣（Chitosan）是幾丁質去乙醯基後的產物，幾丁聚醣是一種天然無毒性之高分子聚合物，並且具有生物可分解性、生物相容性（即毒性低、不產生抗體等）、生物活性（降膽固醇、降血脂、降血壓、增加免疫功能）、成膜性、成膠性、在酸性溶液帶正電（抗菌、吸附、止血）等特性，因此可普遍應用於農業、醫藥、食品、化工、環保等領域。由於幾丁聚醣之純度在於去乙醯基的程度，因此如何在製備幾丁聚醣的過程中去監控「去乙醯率」在生物產業上就有很大的貢獻，但這個監控過程必須是線上、即時才有意義，本系目前就是在進行這方面的研究。

4.貴系如何在實際操作經驗中，訓練同學將所學知識廣泛應用在各種產業？

本系相當重視實習課程，除基本的實習如電子學…等外，尚開設有許多重要的實習課程，包括感測、機電整合及油氣壓等實習，以加強同學將課本所學到的知識作實際應用的能力。以“微處理機介面應用”的課程為例，這是一門屬於機電整合領域的課程，用微處理機來做感測、決策、控制的訓練，軟、硬體都要用到。剛開始的課程實習，所有實習的材料包括電路圖、程式軟體及電子零件等都有範本提供及助教準備，先讓同學們學習並了解其基本原理及動手製作。到了學期末，同學必須分組自己製作專題（自選題目），自己去光華商場買零件、設計電路、寫程式、組裝系統。譬如說有一組的專題是立體停車塔，同學用夾子來代表車輛，以鏈條、步進馬達去設計，同學們學習的興致盎然無比。曾經有畢業生告訴我，他應徵工作時就是以立體停車塔之專題內容向雇主做口頭簡報，而得到工作機會的。產業界常常抱怨大學培養出來的人才都太偏理論，與產業界的期待有落差，到底產業界需要什麼樣的人才這個問題也一直是我們大學、研究所所關心的。產業是動態的，常會變動的，我們也不是共產國家（這世界上也沒剩幾個了，有的也都質變了），人民的工作是指派的，有保障的。因此我們必須讓同學們具有基本的能力，才能接受新的挑戰。我認為既然是工程的科系，培養學生紮實的工程基礎及應用能力是很重要的，理不理論是另一個問題。我曾有一個研究生，在學時是研究香蕉成熟度之光學性質，他曾問我畢業後香蕉的產業如何？我告訴他訓練及學習的過程才是重要的，沒錯，後來畢業後他所從事的工作都是光學相關的產業，如數位相機、掃描器、偽鈔辨識機等。立體停車塔也好、香蕉也好，都是作專題或研究訓練時的對象物而已，由於產業是動態的，生物產業也是多元的，處理應用的對象是可能隨時變動的，因此，學生紮實的工程基礎及應用能力的磨練是本系的教學精神，希望這樣的說明有回答到你的問題。

陳主任主持生物影像與生物光電實驗室，對於電腦模擬與控制、生物材料物性、遙控技術與光譜分析以及自動化生產工程，有許多深入的研究及多項專利……

1.電腦模擬與控制如何與人工智慧結合呢？

人類的智慧是靠學習和經驗一點一滴所累積的，同樣的對於電腦來說，要賦予它人工智慧，也必須讓它學習。這種學習必須依賴一個有代表性的資料庫（database），而資料庫裡的資料常是經由實驗或蒐集而來。舉個例子，在進行環境控制條件對種苗品質影響之研究時，曾在台灣大學的人工氣候室設定各種溫度、照度及溼度之環境條件，培養出各種好壞品質之種苗，分析各種環境條件及品質參數之關係，以便建立生長模式。要此電腦模式具有人工智慧，就要讓電腦去學習認識各種樣本；電腦學習時，不能只提供好的樣本，否則在實際應用時若出現壞的樣本，它就無法識別了。有些模式，如模糊（Fuzzy）理論，也可能要加入經驗法則。建立這種具有人工智慧的電腦模式後，藉由植物工廠或溫室之環境感測，經過電腦模式之決策機制，就可以操控調整各種環境條件，而達到培育最佳品質種苗的目的。雖然電腦是死的，只要資料充裕且規劃完備，經過訓練後的電腦是可以具備人工智慧的，不過出現的狀況若是超出訓練範圍，人工智慧也可能失效。

2.如何應用生物機電工程改良生物技術或生醫技術？

以生物技術中的聚合酶鏈反應PCR (polymerase chain reaction) 技術為例，它是一種快速增量極微量DNA樣本之技術，因為只需極微量DNA樣本即可藉 PCR 得到比原來擴大 10–100000 倍之DNA 含量，因此已被廣泛應用到醫學診斷檢測上。PCR 之反應過程藉由加熱變性，primer 連接，並經由聚合酶進行鏈的延長，而由於檢體的變小，加熱的方式及工程手段就有很大的發揮空間，例如可由水浴加熱檢體的方式，改為光線聚焦加熱的方式，再加上微機電、微流系統之設計，都可以提供生物技術或生醫技術嶄新的檢測模式與樣本之取樣方式。

又大家一定有過這樣的經驗，外表成熟之水果並不一定是甜的；水果切開來試吃是甜的，但並不保證其他顆也一樣，總之，要知道甜不甜就只能用破壞性的方法。目前本系發展的近紅外光之檢測技術就可以以非破壞性（non-destructive）、非侵入式（non-invasive）的方式從水果外表檢測水果內部的糖度。而目前糖尿病患者居家時檢測血糖都是要刺破皮膚取得血液樣本，再用儀器檢測血糖含量。經常性的刺破皮膚取血對患者而言是一個很大的心理負擔，也不方便。因此，若能將近紅外光之檢測技術用到血糖的檢測，這種非破壞性且非侵入式的檢測方式一定大受歡迎，這也是一種對生醫檢測技術的改進。當然，檢測系統要更加微小化，價格也要更普及化才行。

3.什麼是生物感測？什麼是多光譜影像遙測系統？對於生物產業有什麼幫助？

生物感測可以分為巨觀的感測和微觀的感測，我認為包括環境感測、品質感測、生醫感測三部份。超級約養殖系統水質之感測、溫室環境感測是屬於環境感測；GMO基因改造食品檢測、水果糖度檢測是屬於品質檢測；組織培養苗生理監測、生物晶片、離子探針則是屬於生醫感測。微觀的部分，像利用離子探針，能夠量到非常微小的細胞的生理表現。

所謂遙測，就是離開一段距離以非接觸式之量測方法。「精準農業」基本上是應用了衛星遙測與衛星定位的技術。以前的農業是全面性的，對農田或作物之處理都一視同仁。精準農業則針對個別的差異給予不同的處理，達到穩定生產質量、創造生產利潤及保護生態環境之目的。多光譜影像遙測系統基本上是本系執行精準農業計畫所發展出來的遙測系統，不必再靠衛星之遙測系統，它是採用數個有效波長的光譜影像系統，目前進行中的計畫及研究包括植物氮營養之研究、植物水份及鹽分逆境之葉片螢光影像分析、醫療傷口癒合之檢測等。

4.我們可以運用哪些高科技化的生物機電工程技術，創造生物產業的商機呢？在您看來，台灣適合朝哪些方向發展？

生物感測是一個值得投入的領域，具有知識經濟及商業的價值。生物感測若能結合微機電與奈米工程更佳，為進一步強化本系此一領域的發展，近年內我們已有數位生醫感測及微機電之師資加入陣容。生物感測應該可以為台灣創造相當大的商機，而且台灣本來就有良好的半導體基礎，配合生物產業十分有利。另一方面，生物系統的環境控制也是一項好的主題，生物系統可以由小到大，其環境的控制包含了幾個要項：溫度、光度、溼度及濃度等。另外，由於國人對健康的重視，食物的安全與衛生將愈加重要，因此品質之檢測，包括有無農藥或抗生素殘留、是否為基因改造食品（GMO）等快速正確檢測方法或晶片之市場將是可預期的。