台大機械系 顏家鈺教授

Q：我們一般人的印象，認為機械系是在修理飛機、汽車或是學習機器內部的構造運作，這是正確的嗎？

其實汽車、飛機都是機械系學習的範圍，但是目前我們目前最新打出的口號是「凡是動的東西都是機械系要管的」。會動的東西很多，小至細菌、奈米級的顆粒；大到星球、太陽。所以在機械系會看到有人在做星星、月亮及太陽的天體研究，也有人在做現在相當熱門的奈米科技研究。大家或許不知道，第一台可以看到原子的設備－「掃描穿遂顯微鏡」，它是利用一個會動的”針頭來掃描-原子的起伏，就是機械系研究發展的項目。運動是一個非常有趣的現象，它可以是如同水流一般整體性的運動，也可以只是單單一具火箭推進器的發射。因為運動形式與應用的多變，本系學生必需學習很多課程，算是工學院中相當辛苦的科系。

台大機械系概略分為５組，包括設計、製造、熱流、固力和系統控制。現在的科技與產業發展，講求統整跨領域間的知識，因此各組的界線也就不再那麼明顯。為了因應時代的需求，例如奈米科技的研究，它需要有近代物理、量子力學的知識，這就會與化學相關。因此，我們將十幾年前是選修科目的普通化學改成系上的必修科目前我們也正在評估是否將生物也變成必修科目如同先前提過的「凡是會動的東西都歸機械系要管的」，生物裡面有太多會動的東西，所以才會有這方面的考量；而生醫科技也需要生物學基礎。加入生物課程或許對學生是一項很大的負擔，但是同學必須有足夠的背景知識才能將所學運用在不同的對象上。

由於機械工程應用範圍十分廣大，勢必與其他系有所重疊，像是電機系。電機工程主要是在研究電流、電路、電波與積體電路的設計，這並不是機械系的範疇。但提到電子、電磁波這些“會動的東西”時，就和機械工程相關了！舉例來說，一個馬達要產生力，這股力讓馬達運作的好不好，正是機械系有興趣研究的課題。至於馬達內部的電路是如何運作、流動，怎麼樣的電路設計能產生你預期的效果，則是電機工程有待處理的。另外，機械系與土木系也有重疊的部份：最近常聽到的台北101大樓防震裝置，要將這個裝置歸類為機械還是土木結構呢？讓人很難去定位。再說到工業設計的部分，本系大學部的課程也有創意工程以及工程圖學這類的必須技能。工程要處理的對象和解決的問題，本來就是由一個體系生出來的，可以分工卻不代表它們一定要被獨立開來。

Q：機械系在學習研究什麼知識？

本系的研究室涵蓋許多領域。例如燃料電池的研究，我們認為後石油時代不但能源的來源發生改變，同時能量的形式也會不同。石油的缺乏使得失去功能的汔車油箱要以電池來替代，馬路就會變成像鐵路一樣，路面上都要懸掛電線類的裝置，這些變化遠超過人類的想像。總之在後石油時代，發電方式勢必被取代，需要新能源或是再生能源，燃燒實驗室就是在探討讓燃燒變得更有效的方法，尋求新能源。此外，還有做生醫晶片的生醫實驗室、微機電設計實驗室、探討怎麼準確測量的精密量測實驗室、研究精密系統的精密控制實驗室。所有精密的儀器、設備都要有「系統」的觀念，如何能達到精密，誤差怎麼分配、性能的要求…等，也都是精密控制實驗室的研究範圍。像是電腦主機殼的生產，為了做這些機殼而發展出技術線切割、光電加工，則是線切割實驗室、光電實驗室的研究主題。至於機殼的材料是什麼呢？就由材料實驗室來研究。機械系探討的材料與材料系的觀點不太一樣，後者偏向電子、奈米材料，而機械系的材料比較著重智慧型材料、超強度、超強加工性…等特性。例如我們希望某些物件在被加工時較為柔軟，加工成形後又能自動變硬，此時就要有智慧型材料。摩潤實驗室討論兩樣物件相互摩擦時，如何減少摩擦以避免它們的損耗。摩擦可以發生在機械內部或是在加工任何設備時，我們不但要加工一個物件，同時也要加工生產此物件的工具。換言之，任何裝置都會涉及摩擦，由於每個加工、被加工物件性質的不同，摩潤實驗室就要克服它們摩擦的問題。經由上述這麼多實驗室的介紹，同學不難明白剛才提到的「凡會動的東西都歸機械系管」。

Q：想請主任談談您的求學之路，當初怎麼會對機械系有興趣呢？

其實在高中時，我覺得自己國文並不太好，當然不可能去選文組。同時我對生物也不太在行，所以大概非選甲組不可（即現在二類組）。在甲組的重頭戲─物理方面，我對光學比較有感覺，至於電學方面，雖然只學到簡單的電子、電容，卻也覺得滿好玩的，不過當時就覺得應該是唸機械或土木，因為機械分數比較高，所以就這樣進入了機械系。如果同學對力學、光學比較感興趣的話，可以選擇機械系。也許有人會問，機械與土木都相當重視力學，其間的差異在哪裡？土木工程強調“大結構”，所以基本上研究的對象是不動的，比方說如何建造一座不會垮的橋；機械工程的力學研究對象則是動態的、會動的，比方說一座橋可以承受多大的風力。

Q：機械系學生在畢業後的發展情形。

以台大的立場而言，因為我們是全國最好的機械系，所以我認為台大機械系是有責任幫國家培養出更多的尖端人才去做研究人員。可是台灣現在的大環境讓我們的畢業生受到太多賺錢的誘惑，因此目前留下來繼續深造的學生並沒有預期的那麼多，出國留學的也只有約百分之二十；我們的目標是引導業界工作人員與研究人員兩者人數比例相等，或是研究人員能佔一半以上。

台灣產業界對大學畢業生接受度低，碩士班畢業進入業界的發展則非常好，因此碩士留下來繼續攻讀博士的比例少之又少。至於出路的話，依照台灣工業發展，目前為止我們看到這十年來都是IC產業比較賺錢，IC產業裡面要用到很多機械的知識，於是台大機械系的畢業生會有較多的自由度去選擇進入IC產業及資訊產業。傳統產業方面像是加工機、工具機，相形之下較難招到本系畢業生。就業市場對於機械系學生看似是供不應求，事實上則是因為人才都集中到比較賺錢的那個領域罷了。

至於研究方面，我想順便破除一個觀念，雖然在本系，很明顯的可以看到男生比女生人數來的多，固然許多機具設計與維修，較為粗重的工作由男生來做或許比較好；可是還有許多適合女生來做的精細工作，好比光碟機、硬碟機的設計；電腦印表機、噴墨印表機，甚至是醫療儀器…等，尤其精密儀器就是需要心細的女生。有好幾年系上第一名畢業的學生都是女生，她可以依照個人的興趣選擇各個領域。

Q：未來機械工業的發展及其重要性？

舉一個較為生活化的例子：就好比加盟業者採機械化量產麵包，需要攪拌、發酵麵粉的機器；讓麵包成形的模具以及烘焙的設備。有些加盟業創始店主會提供它的下游廠商生產設備、原料或技術，而下游業者在足夠的人力技術與較低廉的人力成本下，或許能夠賺到不錯的利潤。若是別家下游業者能夠產出更好品質的成品且人力成本更為低廉時，必定引發下游業者之間彼此更大的競爭。創始店主在利益與商譽的考慮下，總是會選擇對自己最有利的下游廠商來加盟。台灣的ＩＣ產業目前就是處在與中國、韓國相互競爭的態勢中，我們許多的生產設備機具，都是由國外產廠商提供半成品或技術，勢必無法降低我們的生產成本，沒有強力的機械工業支援ＩＣ產業，對ＩＣ產業的發展是個危機。

目前ＩＣ產業固然能夠帶給台灣很大的賺錢機會，但我們國家仍需要各種類型的企業人才。世界上所有先進、強盛的國家，機械工業都是頂尖的，好比美國、日本與德國。在台灣政府往往只偏-重能賺錢、有即時商業利益的產業，卻忽視了機械工業的全面提升對整體產業的加分作用。進一步的說，只要有設備的地方都需要機械系人才，比方說聯發科需要專長在光碟機動態的人員。系統部門會指定設計部門完成一項IC設計，再將此設計結果交回系統部門檢測看看是否能夠運作。如果要做MP3，除了要設計出IC外，更重要的是要看播出的音質是否良好。前述兩個例子說明了IC設計和其應用領域結合時，一定要有強力的機械工業加以配合。再以光碟機產業為例，台灣佔全世界光碟機產量第二位，我們的光碟機量產技術相當完備，在光碟機成品中負責讀、存取資料的鐳射頭，目前仰賴進口，它就占成本的30％，台灣許多廠商無不希望自行生產高品質的鐳射頭以降低製造成本獲得更好的利潤。

最近政府在推動光電產業、顯示器產業，顯示器產業最難做的不是製程而是設計，但是由於目前製程技術仍不夠成熟，所以大家都將重心放在製程。說實在台灣現在已經有很多顯示器的廠商，但生產所需要的設備、面板，都是來自日本、美國或歐洲，我們的人才並不比國外差，為什麼台灣無法自己來做這些設備呢？未來當各國廠商都能夠突破製程瓶頸時，設備的好壞必會主宰誰能夠搶攻顯示器的市場。

Q：請主任簡單介紹何謂（1）磁浮（2）自動控制（3）微機電（4）生醫工程、仿生工程及生醫檢測系統

（1）磁浮

磁浮，簡單來說就是利用磁場產生“力”使東西浮起來。浮力有很多種，水有浮力，氣體也會形成浮力。氣浮就是利用氣體的力量讓物體浮起來。機械元件的組合一定會產生摩擦，摩擦引起震動就會造成機械的損壞，當高速運轉的時，摩擦所造成的一點點的損壞，都可能引發極大的破壞，所以我們要利用磁浮避免摩擦震動的出現。目前磁浮技術發展最為成熟的是磁浮列車，在高速的情況下其軸承是整個浮在空中的。磁浮軸承則是另一種少見的高級精密工具元件。最近半導體工程方面也在研究磁浮取代氣浮，由於半導體製程需要很精密的電位，當我們有接觸、有摩擦時，精密電位就很難達成。摩擦造成接處點的黏滯會導致推不動，但有時又不希望施力後移動太多，所以反而需-要摩擦來替我們取得這個平衡。

（2）自動控制

自動控制，事實上和字面上的意思很接近，主要目的就是控制。例如需要汽車瞬間加速，我們就要尋求踩油門到速度變快間的固定關係。最理想的方式就是可以讓任何一個精密的系統照著我們要求的方式有相對應的感應。比如說要控制一架從台北到高雄的班機，希望飛機從起飛到降落程中完全照著計劃的航線，何時爬升，何時降落。所以理想的狀態是規劃出飛機起降的航線、速度，再控制班機延著航線行進。但實際的情況是，航行過程中有許多的外力或是其他因素都會影響飛機的航線。從70年代起，就已經有許多人嘗試以數學去描述這一類的運動，直到現在仍然無法用數學去演算如此複雜的狀況。所以演變出來的方式就是：依照物體在每一個時間點反映出的動作，採取即時相對應的控制，也就是如何去施力。如此一來不需要事先預知物體的行為，便可以在移動當中同步的控制物體，這就是機械控制在研究的東西。簡單的說，自動控制可分為兩種，第一種是物體預-計由Ａ到Ｂ，一次就施予它到Ｂ點所需足夠的力，但較難控制其它因素對物體在行徑間的影響。第二種是在由Ａ到Ｂ的過程中，一面移動物體，一面對它施力。

我再以光碟機為例。光碟機讀取的原理是以一個雷射頭打出雷射燈，照在唱盤上面的軌道，雷射光要剛好聚焦在特定軌道上才能讀到訊號。萬一遇到搖動，位置跑掉就沒辦法聚焦了。大型的家用光碟機因求省電故性能有限，在一般平穩的環境下可以達到理想音質，如果受到碰撞震動就無法播放光碟。但隨身聽光碟機在搖晃、震動的狀態下，依然可以播放音樂，這是因為隨身聽中有性能較好的控制系統把雷射頭控制在軌道上。除了在控制方面下功夫以外，還可以利用記憶功能，從前的隨身聽是讀取到訊號就放出音效，當遇到雷射光束無法聚焦的情形時，音樂即刻中斷。但是目前我們已經可以做到，現在聽見的音樂其實是一分鐘或是更久之前就讀取到的暫存檔，如此一來，縱使軌道跳開，機器就先播放暫存檔，利用這個時間雷射頭再找回原本的軌道。機械的精密控制讓我-們的耳朵聽不出來來有何差異，這個進步主要是在於我們的技術能讓機器讀取的速度加快，仔細觀察隨身聽你可以發現，有時音樂明明在播放，但是光碟並沒有在轉動，就是這個道理。

（3）微機電

簡言之，微機電是以類似IC製程的技術來做微米尺寸的元件。就某個方面來說，微機電要做到只要有訊號就要能夠感測，訊號是一個來源，訊號與感測應該要同時成立。除了利用微米尺寸的元件製造出有意義的系統外，微機電很特別的地方在於它可以「驅動」。目前驅動的技術較差，多數的裝置仍是被動的。較常聽到的主動裝置除了鎖、投影機的鏡子，還有壓力感應器。壓力感應器可以用來測輪胎壓力，或者測量血壓。現在所有的汽車都裝有一個安全氣囊，裡面的加速規也是微機電的應用，它要在某個適合的加速度點將氣囊釋放保護駕駛與乘客，若加速規調整失當、不精準，輕踩油門安全氣囊就啪一聲，應聲彈出，本來沒事都變成意外事故了！相反地，把加速規調得緊一點，車已經撞扁了安全氣囊還彈不出來，完全失效也沒有用。所以微機電的應用也需要極精密的計算。

手機裡的濾波器，過去我們是用電子設備來做，但是它排斥雜訊的能力不夠強，所以現在改用機械式濾波器。我們現在使用的GSM手機就是接收GIGA HERTZ的訊號，濾波器的功能是將GIGA HERTZ的訊號轉換成人耳可以聽見的音頻。如果我們只要2 GIGA HERTZ，濾波器會幫助我們抓到正確的訊號，比它高或比它低的頻率都要過濾掉。若進來的訊號被其他沒有過濾完全的頻率（雜訊）干擾，就會導致音質變差。因此我們需要一個頻率很窄的濾波器，只讓固定的頻率進來，其他都排斥掉。這樣的原理類似音叉，當敲擊甲音叉後向乙音叉靠近，若甲乙頻率相同，則乙會因共振而發出聲音,若以此原理製做機械濾波器，它只會對特定的頻率產生極大的反應。反之，電子濾波器的缺點在於：它很難合成像音叉這樣可以精準的在特定頻率共振的音波，所以換成以機械的方式來做。但是機械體積很大需要微小化，因此就有了最近相當熱門而且實用的微機電濾波器。

微機電也可以用在「鎖」上面，一般常見的保險櫃鎖，不論是密碼或是電子鎖都很容易被破解，或是像有些高級的車子，使用電子密碼鎖，萬一遇到打雷，內部IC會被燒毀，車門打不開時就只能拖吊到車廠修理。但機械鎖就不會發生這種困擾，利用機械鎖的觀念配合微機電技術，就可以把鎖做到難破解又不易壞的安全鎖。還有投影機：其原理是利用鏡子開、關調節各種角度反射不同的光，我們可以用大量的鏡子組成現在投影機內最熱門的晶片。光線投射出來的都是白光，但是影像還是-要有黑白才看的見，所以這時候我們就要用遮的，利用液晶中的小晶體（好比百葉窗，當不需要有光的時候就轉過來遮住光源，需要光就轉回去讓光通過。可是液晶的方式到了投影幕上影像會模糊掉，所以投影的時候一定要用鏡子，鏡子轉動的角度造成光反射，調整角度使得反射的量不同，用來控制色差，不同程度的色差就可以配出不同的色彩，這就是彩色投影機的作用機制。這些微小鏡子的操控都要依賴微機電系統。

（4）生醫工程、仿生工程及生醫檢測系統

在生醫工程方面，比如常聽到的人工關節、人工呼吸器、心率調節器、血壓計或人工心臟，也都需要使用微機電。人的心臟可以讓血液在體內流動，相當於一個PUMP（幫浦）。人工心臟最難克服的就是血液進去後，到某些地方就會停住，一旦血液停止流動就會凝固，人工心臟便失去作用；微機電的功用就是調節血液的流入、流出的量。洗腎機，將病人血液抽出後濾淨再輸入體內，它也需要微機電的調節系統。

附帶一提，生醫工程和「仿生工程」是不一樣的。生醫工程多用於診斷，目前在發展的生醫晶片多半是利用血液檢測患者是否有疾病。仿生工程則像是做機械狗、機械蛇、機械蟑螂。在地震的時候，我們想知道土堆下是不是還有人生還，把搜救犬放進去裡面，牠冒的險其實是跟人類一樣，如果能放隻蟑螂進去是最好了，可是蟑螂不會聽命於人，不受人控制，所以機械蟑螂的存在就能替我們解決這個問題。另外還有機器飛蛾，當我們想找出毒素或臭味的污染源時，就可以利用機器飛蛾來代替人類，這類的仿生系統其目的都是為了增加人類生活的方便性與安全性。

至於生醫檢測系統，機械工程在其中做些什麼工作呢？好比人體體液的檢測，我們希望將晶片埋到人的身體裡面，藉以替病患定期做檢測，但是體液裡有很多成份，我們將需要檢測的部分分離出來，例如體液中有不同質量的血球、淋巴，分離它們靠的是力學，會用一些類似電泳的方式；要做電泳又要有一些電機的背景。然後要做數種很小的PUMP，能夠把所要的特定體液抽進晶片裡，接下來我們要做些閥（類似柵欄），在分離開體液中各種物質後，讓它們流入不同的地方以檢測出-個別的含量。檢測完成之後，更大的問題是要把晶片清潔乾淨。由於晶片埋在身體裡的目的就是要持續使用，所以黏住、堵住的殘餘物質都要清除掉，而這裏仍離不開力學的應用。最後，整個檢測系統的運作需要能量，總不能留兩條電線在病人身體外面充電吧！有個想法是好比條碼的感應，體內埋入一些接通或未接通的微機電線路，利用外面的感應機去感應內部線路，藉以驅動系統。總之，生醫檢測系統的研究上，能量來源是個有待解決的難題。訊號傳收則是另一個問題，它必須用無線電把訊號傳出來，從身體裡面傳到外面，有很多想法都還在研究階段。