工程學

隨著行動裝置與人工智慧的普及，物聯網的實現已指日可待，由於物聯網中感知器數量數以億萬計，因而整個系統對自供電的依賴也越來越深。雖然傳統電化學電池可以滿足大部分物聯網在目前階段的電力的需求，但一旦大量佈建後，更換那些電池便成為一件棘手的事情。因此，可以採集環境光能的太陽能電池是優先的選項，其中以染料敏化電池不受環境光強度及溫度的影響，且能以用網印方式製作在廉價的基板上，來提高太陽光照射的面積而不受基板大小的限制。在電能儲存方面，採用固態電化學電容，除了提高電荷密度外，也不受太陽能電池與電化學電池因電壓不匹配而造成無法充電的現象。並將兩種個別裝置整合在同一基板上，除了縮小尺寸外，還有降低系統阻抗的功能。本次研究希望能結合染料敏化太陽電池”有光即發電”的特性，最後達成能量採集及能量儲存於單一裝置的目標。

車床實習課程中，「角度偏心」技能於教科書資料不多，網路查尋資訊亦少，而此難度高技能所製作產品是迴旋轉直線運動曲柄軸機構所應用。 原始點分析為一種創作情境思維模式，此模式起源於問題產生時之因果關係。專題理論發想源自夾持偏心軸系定位關係及幾何學中「圓」切線性質。此發想讓我們研擬出兩項車製角度偏心核心調校關鍵技術；一是夾頭夾持軸系與工件維度所在軸系定義；二是工件量測位置定義。 依二項技術需求，本組設計出一套輔助定位模組；且經由實驗證明此模組貢獻度是解決車床角度偏心調校問題及對曲柄軸達成簡易快速定位角度量測功能。效度上明顯已達突破性調校應用。對於車床加工人員，提供調校操作簡易方便且精度控制顯著性高的選擇。

作品延續2020全國科展特優作品「風再起時」，本組將橫流風扇改成鋁製扇葉…等多項改善；以3D列印設計機構本體，並組合塑膠齒輪做成纜車，自製類低速風洞，提高風速避免亂流，完成實驗；作品經5次改善，具備以下功能： 1. 可以順、逆風行走各方向吹來的風均可以利用。 2. 纜車可以控制正反向行走。 3. 可調整快慢速度,以節省時間。 4. 設定慢速行走時扭力增加，可負載重量。 5. 在無風情況下，可使用電動馬達驅動纜車行走。 6. 在無風無電力下，可旋轉搖柄帶動纜車。 7. 在故障及緊急情況時 ，可打空檔滑向下坡方向停靠站。 作品測試：分別以自製類風洞測試，與不同坡度實驗，施予不同方向強、弱風等實驗，結果顯示：纜車扇葉轉速與行走速度均有一致規律。荷重實驗：本體重652.8 g，可以荷重1.6 kg，速度達 0.12 cm/s。

水產養殖已成為本世紀重要的水產品供應源，多數水生生物需生長在一定的水壓下，才可穩定成長進而達到性成熟及產生子代，而陸池養殖無法產生相對應的水深壓力環境，導致水生生物成長及性成熟困難的困境。本研究提出創新的低水體(水深10.5公分、容量14公升)模式，使用加壓調壓器材、水冷機、過濾系統等自製一個密閉、具穩定調控高水壓、可觀測生物、穩定水溫及水質淨化再利用的循環養殖系統。以本系統進行高水壓(1 kg/cm2 ; 約10公尺深)及次高水壓(0.5 kg/cm2 ; 約5公尺深)分別養殖淡水螯蝦及海水白蝦，結果顯示此些生物皆呈現體色較深及成長速率較快的現象，證明此高壓系統有利其生長。本研究以環境友善為出發點，採用低水體壓力調控方式，營造水生生物適合的水壓環境，未來可應用於水生生物的性成熟養殖操控或特殊養殖等研究，預期將可多元發展且極具發展潛力。

全球暖化與氣候劇烈變遷是個迫在眉睫的問題，大氣中溫室氣體增加，主要是由於燃燒化石燃料排放二氧化碳所造成，若能把二氧化碳氣體加以利用，就能有效減緩地球溫度的上升。在本研究工作中，我們首先利用哈默法將石墨與強氧化劑生成氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)，然後以適當比例混合GO、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)與正己烷，成功地製備出多孔性石墨烯電極，並採用離子液體([EMIm]Cl)/碳酸丙烯酯(Propylene Carbonate, PC)作為電解質，搭配鎂金屬作為陽極，開發出低成本且實用性高的「鎂金屬∕CO2燃料電池」，此電池會將二氧化碳穩定的形成草酸鎂(Magnesium Oxalate Hydrate)封存起來，並產生1.6伏特的直流電壓，此一氣呵成的二氧化碳吸附、封存與產能發電，符合綠色環保與能量再生的永續循環理念，非常值得推廣及利用。

隨著無線傳輸技術的進步，第四代行動通訊技術的普及化，以及第五代行動通訊技術的來臨，象徵著無線充電即將取代接著充電線的充電方式，但市售的無線充電產品效率大多比不上用充電線充電，並且必須接觸在充電版上才可充電。為此我們運用磁共振的原理，增加無線充電產品的效率及可使用的距離。用自製的發射器(線圈)及接收器(線圈)模擬天線發出訊號與接收訊號，在發射器和接收器前端各放置一個主線圈用來發揮磁共振的效果，達到增加傳輸效率及可使用的距離。

遙控技術進步快速，無人機由玩具演進入戰場，甚至在科學研究中成為無往不利的利器。本研究旨在探討若將MQ-9大型無人機捨棄匿蹤性，改採鴨式布局是否對其飛行效率及穩定性能達到更好表現。 以自製風洞為主要研究器材，此外也使用電子儀器測量，推導出升力係數及其計算過程。得升力係數與爬升能力呈正相關。 本研究結果如下： 一、 比較採常規布局模型與採鴨式布局模型於不同攻角下的升力係數變化，攻角0 ˚ ~15˚ 時採以常規布局模型有較好升力係數，但與鴨式布局模型差異不大。且採鴨式布局模型較採常規布局有較大的失速攻角（20˚）。 二、 常規布局模型與鴨式布局模型於不同攻角下的阻力係數變化，攻角0 ˚ ~15˚ 時採以常規布局模型有較大阻力係數，但與鴨式布局模型差異不大。 三、 以溫度流探討採鴨式布局模型比較採常規布局模型，其主翼下翼面溫度較低，可得採鴨式布局模型翼面下流速、密度、壓力較採常規布局模型小。 四、 自行設計Python程式統計側風狀態下採兩種布局之MQ-9風洞模型翼梢雷射光點閃爍次數，採常規布局模型擺動頻率較鴨式布局高。 五、 將方格紙上反射光點軌跡進行影片格放分析，並進行FFT模式分析，探討機翼運動模式。推測常規布局模型較多為「擺動」；「振動」則較少發生。鴨式布局模型較多為「振動」；「擺動」則較少發生。 六、 對放大機翼面積進行氣流分析，常規機翼模型攻角0 ˚ 時觀測到機翼有邊界層現象，15 ˚時觀測到層流分離現象，製造機翼表面壓力差並提供升力；鴨式機翼模型攻角15 ˚、20 ˚觀測到渦流現象，有助減輕主翼受力負擔並提供額外升力。 將大型無人定翼機結合鴨式布局，飛行時有更好的效率提升，以其高爬升比及穩定度高的特性，能在相同油耗下有更長遠的航程，也符合綠色科學發展與環保理念。

利用桌面曲棍球的玩具，啟發本組做出能讓建築物漂浮減震的設計，並使用樂高EV3教育模組設計實驗來探討其中影響減震效果的變因。本組發現：只要在建築物底部兩個介面中充入空氣形成「空氣墊」，就可以減少摩擦力而達到減震的效果，另外也發現，讓建築物懸浮的空氣墊氣壓越大、底面積越大、重量越輕、接觸底面越光滑、及在高頻的地震下，其減震的效果越好。此外，為了減少因為減震產生的建築物滑動而超過原本建築物設計活動的範圍，使用此隔震設計的建築物也需要設計使用阻尼或避震墊在建築物的周邊，以避免滑動時撞壞建築物。最後希望提出此創意的隔震設計讓業界有不同的思考及靈感，做出將來更好的建築物避震設計，讓人們可永久免於地震的傷害。

A traditional helicopter requires 60 - 80% more power to hover than when in forward or lateral flight, making the manoeuvre extremely power inefficient. To maximise efficiency, industrially many properties of the helicopter and rotor have been changed and tested, for example: optimising blade shape, fuselage shape and changing weights of different helicopter components. This report in particular aims to find a relationship between power efficiency and angular velocity for a twin bladed hovering helicopter with a single rotor. The angular velocity of a blade measures the frequency of its revolution about a fixed point. A theoretical approach was first taken and then justified with empirical data. Firstly, a model for power efficiency was derived with William Froude’s momentum and blade element theory. The efficiency equations incorporated the thrust and power coefficients. Therefore, the research focused on determining values for these coefficients by manipulating equations, using industrial specifications and simulations from the XFOIL software. In order to validate the accuracy for such theoretically generated data, an experiment was conducted for a comparison. The theoretical and empirical data were concurrent, as they followed a similar trend and the empirical values overlapped within the theoretical error bars. The power efficiency for different angular velocities were then found by substituting values for the coefficients. The results demonstrated a positive relationship; where, as angular velocity increases, power efficiency increases too, then plateaus and repeats the same trend once again. The research raises many questions and could be extended by determining if a similar relationship exists for tri-copters and quadcopters.

Double Parallelogram Lifting Mechanism (DPLM) is a compact and stable lifting mechanism with a large extension range widely adopted in robot designs. Rubber bands and springs are often installed on the DPLM to lighten the motors' load and maintain its height, yet the installation positions are often obtained through trial and error. This project aims at finding the optimal rubber band installation positions for DPLM using modeling and optimization techniques. A mathematical model which describes the forces and moments acting on all the linkages of DPLM was derived based on the conditions for the static equilibrium and verified with a 3D simulation software. A genetic algorithm (GA) was implemented to optimize rubber band installation positions, which managed to find solutions with the overall root-mean-square- error (RMSE) of the net moment less than 2 for 2 to 6 rubber bands. A further statistical analysis of 50000 random rubber band samples showed that installing rubber bands in triangles is the best solution with the overall lowest RMSE. A test was conducted with a prototype of the DPLM and the results were consistent with our model and optimization. This project derived and verified a mathematical model for the DPLM, and found the optimal way and positions to install rubber bands. The results of this project provides a theoretical basis for controlling DPLM with rubber bands, allowing it to be further adopted in industrial robots that require repetitive lifting and lowering such as inspection robots and aerial work platforms.