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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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科技與花的對話 花博夢想館記實—挑戰不可能

文/江佩蓉‧張彥文‧葉芷嫻‧方正儀

重達3.5公噸的機械花朵,在空中綻放7種不同姿態

◎應用技術:動力機械懸吊與控制技術
◎技術團隊:工研院機械與系統研究所智慧機器人技術組

走進夢想館,最先映入眼簾的是高掛在空中的巨型機械花朵「綻放」。這項展品由藝術家游文富創作,工研院機械所擔任技術支援。綻放,可搭配大廳的燈光與音樂展現從清晨至黃昏,晴天至雨天的「一日之變」,120片花瓣將搭配整體情境,展現出7種不同的開闔姿態。

重達3.5公噸、直徑約6公尺的花朵,要如何兼顧安全,並符合游文富構思的層次感與夢幻感,著實讓夢想館的團隊傷透腦筋。綻放的主體由120組懸吊馬達負責,每一片葉片都由一組馬達控制,由於每15分鐘要做一輪開合活動,其中並有7分鐘是不斷進行動作,必須在耐磨耗上可以承受得住,因此在正式組裝前,每一片葉片都在機械所進行上萬次的疲勞測試,期間只要有零件損壞,就必須更改設計或是更改材質,以便達到需求。例如螺桿螺帽在這段耐磨測試期,就換了十幾種材質,加上不同的潤滑油,以便找出最佳組合,應付長達170天的展期。

最佳機構找到了,還需要控機的配合,也就是要讓每一個介面之間的溝通都達到最好。初期也曾因介面銜接問題,導致測試時總會有幾片葉片不聽使喚,更曾燒毀了多具馬達與驅動器,讓團隊懊惱不已;最後透過與控制器廠商的不斷溝通整合,修正介面問題,才能讓120片葉片全部動起來。

重量級的機械花朵要懸掛在天花板上,也是技術團隊面臨的新挑戰。經過重量計算並將之分切成四等分,才有辦法搬運與組裝,呈現出綻放的姿態,並隨著音樂翩然起舞。就連游文富都說,他以前就有這個想法與概念,不過他不相信有人可以把這麼大、這麼重,而且還會動的東西懸吊在天花板上;但這次,機械所團隊真的做到了。

智慧手環紀錄參觀旅程,生成專屬於你的「夢想之花」

◎應用技術:超高頻無線射頻辨識(RFID)技術
◎技術團隊:工研院辨識與安全科技中心辨識與感測系統組

夢想館之旅的起點,是從領取RFID智慧手環開始。依著參觀者的心願與期待,將可領取到各樣顏色的手環,是接受芽比能量的媒介,開啟通往夢想世界的鑰匙。

重量不到200g的RFID手環,使用的是工研院辨識中心所開發的微小化超高頻(UHF)RFID讀取器模組,這項技術的主要特色在於造型輕巧,體積約為目前市面上產品的三分之一,可方便嵌入於手持式裝置,或輕易隱藏在小型展示機台中,同時具備遠距離多重感測特性,最長感應距離可達1.5至2公尺,並可同時感應多位參觀者,因此可與展示環境高度整合而不被察覺,提供最輕鬆自然的觀展體驗,這是一般體積龐大的傳統的高頻(HF)RFID讀取器無法做到的。

設計團隊的構想,是將參觀者參訪的歷程,模擬為一顆種子的生長過程,因此工研院辨識中心團隊提供技術支援、軟體控制平台及演算法,以RFID手環蒐集參觀者在什麼時間經過哪些感應點,將這些資訊再做交互運算,讓data變得更豐富,最後展現出每位參觀者專屬的花朵。

為了解如何捕捉這樣的歷程,展現最後美麗的花朵,技術團隊向兩位台大植物系教授請益,了解真正的植物生態如何讓每一朵花長得不一樣,例如花瓣大小、單瓣還是重瓣、花色、有沒有花萼等,從植物的特性拆解成數位程式參數,再將這些參數放進系統中交由動畫公司製作。

RFID透過發出與接收電磁波進行驅動,而要讓電磁波準確地投射與被接收,是技術團隊的最大挑戰。尤其超高頻RFID讀取器感應距離長,可能的干擾源也會增加,其中最大的問題是整個夢想館建築物都是鋼骨結構,電磁波會被反射,很難去預測它會被反射到什麼方向,可能手環位置變換一點點角度,就失之毫米差之千里,讓讀取器收不到訊號。在實驗室裡面調整好的配置,到了現場都沒有用了,技術團隊因此花了兩三個月實地重新調整,做軟體修正,透過系統降低干擾。

在夢想館的各個角落裡,請不要忘了在看見機台時上前汲取能量,取得繼續前進的力量。

硬梆梆的液晶玻璃,也能展現美麗的微笑曲線

◎應用技術:智慧型電控液晶玻璃
◎技術團隊:工研院材料與化工研究所應用化學研究組

走進由藝術家黃心健設計規劃,工研院材化所智慧型電控液晶玻璃團隊技術支援的二廳,參觀者會先被化身昆蟲的互動技術所吸引,進入通道每個人在投影上都會變身為昆蟲,行經雄蕊通道,藉由拍打蕊心取得花粉,感受到自然界傳送授粉的過程,並且在花粉小宇宙的互動中,享受與花粉嬉鬧的樂趣。

最後,所有的參觀者都會聚集核心的花瓣迷宮前。二廳的規劃,是夢想館創意團隊則善用電控液晶玻璃明暗的透光性,營造出花瓣迷宮的氛圍,這是工研院的技術團隊首次挑戰大面積曲面電控液晶玻璃。這18片寬1公尺長3公尺的智慧型電控液晶玻璃,要克服的困難有四大部分。

其一是大面積。由小到大,在原料液晶配方上就因為特性不佳、參數不對,技術團隊花了很多功夫做調整。然後在製程上改採roll to roll,一改過去切好固定面積再夾層烤蛋糕的形式,而是用連續生產設備生產長餅皮形式,做成整捲再去剪材需要的尺寸。此外在塗料接著劑的選擇、貼膜與裁切、包裝運送、檢測機制上也費了一番心力,尤其因為膜本身具張力,要裁切剛好符合玻璃的尺寸,精密度需要特別控制,所以也特別訂製了製具以提高準確度,一絲一毫都不能偏差。

其二是彎曲。兩片硬的玻璃,要烤到相同弧度,然後對位夾液晶膜,還要不產生氣泡,困難度很高,幸而多年合作的元璋玻璃廠純熟的技術得以克服。而過去製程會讓彎曲的玻璃喪失遮蔽度,則以roll to roll方式讓液晶均勻地塗佈在導電層上,並且固定住,避免彎曲後液晶流動,造成透光性改變的問題。

其三是懸吊問題。一片電控液晶玻璃重達80-100公斤,經過角材鋼架支撐的設計計算,與評估重量以及施力點,再運用特製的玻璃吸盤,以及每片6位專業搬運工才得以完成。

其四是電控。一改過去手動或遙控開關,設計成沒有斷點連續式,而且是用電腦輸入指令進行,這部分工研院綠能所電能轉換研究室也提供相關協助,改善了以小尺寸液晶玻璃測試時,玻璃會一直閃爍的問題,搭配影像投影與聲光效果,方能完成藝術家當初的規劃,露出美麗的微笑曲線。

360度環形劇場,你的呼吸能讓小樹茁壯

◎應用技術:UWB超寬頻非接觸監測技術
◎技術團隊:工研院量測技術發展中心前瞻感測技術發展與應用部

人對自然的影響,能有多大的力量?在夢想館三廳的360度環形劇場中,透過工研院量測中心UWB超寬頻非接觸監測技術,觀賞者將能親身體會自己的呼吸和脈搏,如何啟動生態界的自然密碼。

和常見感測器的光學原理不同,UWB超寬頻非接觸監測技術依據電磁波原理,具有穿透力,因此即便安裝在環境劇場螢幕後方,也不易因物體阻絕而影響偵測。然而,以計算移動量來分析呼吸生理反應的UWB超寬頻非接觸監測技術,過去應用在醫療上,多是針對個人靜止狀態偵測。

相較之下,夢想館的觀賞者們為數眾多、可以自由移動,對於感測器如何辨別呼吸起伏與人體移動,達到偵測精確度,都是技術團隊投入這項計畫之前,從沒料想過的問題。因此,為了實現青鳥設計團隊的設計,技術團隊從建立呼吸分析數值資料庫,到改變電路與細部結構,一切重新設計,只為將藝術家的巧思,藉由這項技術與觀眾展演出與自然共生的想像。現在,來到夢想館,別忘了對著環形劇場裡的小樹用力呼吸,用心感受小樹因此而茁壯的生命力!

如紙片般超薄喇叭,聽見內心感動的聲音

◎應用技術:可撓式超薄軟性揚聲器
◎技術團隊:工研院電子與電光研究所奈米電子研究組

夢想館的入口與旅程的終點,從不規則形狀到超大尺寸的可撓式超薄軟性紙揚聲器(paper-thin flexible loudspeaker)應用,已真實出現在你我身邊。

夢想館大廳裡150個葉片型的超薄軟性紙揚聲器,播放著蟲鳴鳥叫等自然界的聲響,配合著大廳的樂曲相唱和,每每吸引著好奇的觀賞者駐足。由於可撓式揚聲器具有指向性,來自工研院的技術團隊,為了讓這些小小的葉片不受發聲面積變小、以及高空懸掛的遠距離影響,使得超薄軟性紙揚聲器發聲量降低,曾在辦公室裡垂吊將近20個尚未成型的等效樣品進行情境模擬,確定透過環境中物體不規則的散射後,仍能順利將聲音傳遞到人們的耳朵。然而,技術團隊卻也曾經歷與大型機械花共同模擬測試時「失聲」的窘境,讓技術人員的心情如同洗三溫暖,直到今年中將150個葉片成功掛在展演場地發聲,懸掛半年的心才得以放下。

相較之下,在夢想館終點,由7段0.5×9公尺超薄軟性揚聲器組成高達3.5公尺、寬達9公尺的巨幅超薄軟性揚聲器,技術團隊不擔憂發聲量多寡,但卻得考慮大面積組裝時的工程結構問題,像是組合時採用創新機械結構承載技術補強結構強度,以解決組裝時的平整度或誤差問題。而在正式製作前,技術團隊從新材料到效果展現測試,光是試片就做了好幾十條,經過再三確認後,才敢正式著手挑戰一條又一條0.5×9公尺的超薄軟性揚聲器。

事實上,位於電光所地下室的克難製造室,是技術團隊生產這面巨幅超薄軟性揚聲器的所在,在這60平方公尺左右的狹長實驗室裡,堆著幾百片已做好的超薄軟性揚聲器內部結構成品,卻因為實際組裝時所產生的誤差值過大,不適合用在夢想館展演上。為此,技術團隊只得趕緊重做另一批上百片的內部結構半成品,時間壓力之大,可想而知。

從國際上獲獎連連的可撓式軟性揚聲器,到參與花博愛與夢想展演,面對困境與時間賽跑的壓力,技術團隊從來只有往前看、努力克服問題的決心。當可撓式超薄軟性揚聲器在花博夢想館完美發聲後,對於工研院這群工程師來說,不只是傳遞台灣科技與創作完美結合的美聲,更是來自內心感動的聲音。



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