臺灣大學應用力學研究所學位論文
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今日超音波影像在各大醫院已經成為不可或缺的第一線診斷工具，是因為其具有非侵入式、人體無害、成本較低、機動性高與即時成像等優點。傳統上使用的超音波B-mode影像可用來檢測生物組織的內部結構，但不能完整能描述來自於組織內的真實情況，因此發展出許多有用的超音波定量方式來定量組織特性，在這些方法之中，Nakagami參數被證實應用在不同散射子濃度的偵測上有著顯著的能力。其後發展出以Nakagami參數為基礎的超音波Nakagami影像，更可將散射子特性視覺化。而為了改善Nakagami影像解析度並且包含更多的生物組織資訊，本研究將發展三維Nakagami影像。 在本論文中，我們將使用仿體實驗與離體纖維化大鼠肝臟之檢測，來探討三維Nakagami影像的可能性。我們需要從不同散射子濃度仿體的超音波逆散射訊號中，來求得最適當的三維Nakagami影像之計算方塊大小。結果顯示以八倍的超音波解析體大小來建立三維Nakagami影像是最合適的尺寸，在這狀況下二維Nakagami影像將得到更好的空間解析度。 接下來使用相同的方塊去計算不同纖維化程度的大鼠肝臟逆散射訊號，建立肝臟的三維Nakagami影像，並且比較不同纖維化程度的肝臟其Nakagami參數值與他們的Hematoxylin & Eosin和Masson's trichrome切片染色分析。結果顯示三維Nakagami影像確實可以分辨不同階段的肝臟纖維化，再者也增加了二維Nakagami影像的解析度並減少了subresolvable效應的影響，這是因為三維Nakagami影像提供了更多組織或是器官的資訊，將來該方式或許有潛力發展成為臨床診斷技術。
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肝臟纖維化是一緩慢且長期的過程，若置之不理有很高機率會導致肝硬化。但現在的醫學發展，除了侵入式的病理切片檢驗外，尚無有效診斷出纖維化程度的定量技術。超音波是一種非侵入式的診斷工具，它具有即時影像的優點，目前在纖維化檢測中已成為第一線的臨床診斷工具。然而傳統超音波灰階影像是一種定性影像，對於纖維化的特徵描述並不明顯，需要有經驗的醫生才能判讀，而初期的纖維化甚至連醫生都無法察覺。考量以上因素，於是本研究決定朝著發展超音波定量影像的方向進行，並以統計參數來描述組織特性，達到診斷肝臟纖維化的目的。 超音波經由探頭發送訊號至組織內部，並接收回波的隨機逆散射訊號，藉此分析其中隱含的組織訊息。我們引入Nakagami統計分佈來描述組織特性，發現其Nakagami參數m值可定量纖維化程度，而Nakagami影像也較傳統灰階影像更能夠分辨纖維化。在動物實驗中，我們將老鼠注射DMN藥物，誘發肝臟纖維化，並計算每個纖維化階段之m值，同時與病理切片分數做比較。結果顯示，纖維化程度與m值呈現正相關，即使病理分數同為0分的肝臟，m值仍隨著纖維化程度上升而增加，意味著m值的靈敏度比病理切片分數為高，並且能成功辨識初期的纖維化與否， 符合臨床診斷的需求。 我們同時引入紋理分析來描述肝臟纖維化，並計算4種影像參數與m參數做比較，分別是：對比值、相關性、能量均勻性和均質性，發現不論趨勢或動態範圍，紋理分析參數皆不如m參數描述來的完整，因此利用m參數來判別纖維化程度是合理且適當的。
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由於繞射極限的限制，使得半導體製程上的可製作的線寬大小受到了限制。除了降低入射光波長外或是利用浸潤式微影外，也可以提高透鏡的數值孔徑來縮小線寬。但上述許多方法的製造成本過於昂貴，所以使得近年來半導體製造的發展受到了限制。 近年來奈米光學的理論與製作已經逐漸發展成熟，本論文使用表面電漿光學的原理來設計光學元件。我們提出了數種金屬奈米結構，包含雙面金屬奈米結構(Double sided metallic nanostructure)，多圓環奈米金屬結構(Multi-ring metallic nanostructure)，圓環溝槽金屬奈米結構(Ring containing circular groove metallic nanostructure)，並且利用聚焦離子束在金屬基板製作出上述之金屬奈米結構，在實驗方面，我們使用共焦顯微光譜儀量測金屬奈米結構的對於光學上的特性。其中我們也發現具有銀金屬基板的金屬奈米圓環結構中，對於特定的入射光波長，其出射光具有高穿透能量、次波長聚光點、及長焦深等特性。這些獨特的光學特性可使得電漿子透鏡應用在光學微影上。 在應用方面上，本論文將多圓環金屬奈米結構同時整合在現有的雷射直寫儀(Laser writer)以及微透鏡(Micro lens)上。在雷射直寫儀中，當我們將多圓環金屬奈米結構整合至系統上時，該系統具有可以在大氣環境中，直接在光阻上可寫出具有次微米的大小的圖案。而當整合在微透鏡上時，我們可以使得出射光的聚焦點更小，能量更強。論文中也利用單圓環奈米金屬結構的特殊光學特性，在負光阻上直接製作出高深寬比的次波長結構，以證明我們所設計之金屬圓環結構，具有可以製作高深寬比結構的能力。
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全球定位系統(GPS) 現已成為最重要的導航輔助系統，但是有時因周遭環境受到遮蔽，而無法提供即時準確之導航資訊。我們使用INS來解決GPS訊號中斷的問題，發展出GPS/INS整合式導航系統。 由於INS中的慣性感測器存在一偏置值，INS定位誤差會隨著時間而放大。因此在GPS/INS整合式導航系統中，我們利用GPS訊號來校正INS的誤差量，並在GPS訊號中斷時使用已校正的INS進行定位，使兩個導航系能夠相輔相成，提高使用者的定位效能。 此外，本論文並把此方法應用在戶外自動導航載具系統，在事先給定路徑後，可達到路徑追蹤的效果。透過GPS/INS整合式導航系統得到位置及姿態，並且與預先規劃的參考路徑作比較，得到運動補償器的輸入參數。再透過運動補償器得到載體速度與角度的補償量，經由無線網路傳送到控制卡，來調整載具的速度與角度，來達成路徑追蹤的任務。經由實驗證實，本系統所發展的方法確實可行。
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顆粒氣體於容器中受到垂直振動後，會有不同顆粒狀態出現，如：均勻分佈狀態、單格聚集狀態、顆粒鐘現象、不穩定區、兩格聚集狀態等等。而本實驗針對顆粒氣體於非對稱容器下，其顆粒現象加以探討。為了更清楚描述非對稱容器，本實驗定義了α、β兩個無因次參數，分別代表兩格容器及三格容器的非對稱值，為容器的最大間格底面寬度和最小間格底面寬度的比值。若當α、β值為1時，則代表容器為對稱容器。α、β值大於1時，則代表容器為非對稱容器。 比較顆粒氣體於對稱容器及非對稱容器下，其顆粒聚集、顆粒鐘現象、均勻分佈狀態等等差別，及顆粒聚集的習性等。在兩格非對稱系統中，發現了顆粒聚集會傾向於小區發生。在推廣至三格非對稱系統後，發現顆粒容易在兩側端的較小區聚集，不容易在中格區域聚集。且本實驗中發現隨著更換容器的α、β值後，在Γ-N圖中的聚集線、Γ-α圖及Γ-β圖中的100%穩定線、均勻分佈線、小區聚集線、在二元二格系統內的顆粒鐘現象、發生聚集時各區間的顆粒溫度差異等，皆會隨著容器的非對稱性α、β而使加速度值上升或下降、顆粒鐘現象增加、左右兩區的溫差變大等等。
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本文嘗試以水工實驗模擬出自然界中颱風之雙眼牆現象，以水 工實驗模擬颱風雙眼牆現象，目前未曾於文獻中討論過。吾人以旋轉水槽提供背景渦度，在適當的類比條件下於旋轉水槽中產生一個類似颱風的穩定渦漩，藉著瞬間改變上升氣流的強度，從58.3 cm3s-1(虹吸)加強到116.6 cm3s-1(虹吸+幫浦抽取)，觀察並量測渦流場的變化。 根據實驗結果推斷雙眼牆的出現是因為渦心部分會先受到上升流的影響，急速往上運動。周圍環流在上升流突然增強的情況下，往 內的壓力梯度增加，則為了維持旋轉平衡(cyclostrophic blance)，離心力也會隨之增加，導致周圍環流旋轉速度加快。且因為渦心部分急速往上運動，流體達到自由液面後只能往下達到底部邊界層，一部分往內進入渦心，一部分則會往外環繞渦心上升。往外的部分則會影響內眼牆外的流體往上，形成眼牆間的空白區域，而阻擋外部的流體無法進入渦心部分，使得內眼牆得不到補充便會慢慢消散。為了達成平衡，外眼牆便會開始內縮，重新形成單眼牆結構。
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近年來，由於有機電子材料的發展，使得有機材料在軟性電子的應用上不再只是空想。現階段有機電子相關產品的研究所在多有，舉凡 PLED、OLED、太陽能電池、電子紙、RFID 標籤甚或是有機感測元件，皆能透過有機材料以及相關製程技術來實現。為了能夠製作有機電子於軟性基板之上，多半採用溶液製程的方式來執行，利用此種方式也可以達到低成本、高精度、節能以及低溫製程的需求。 本論文中利用光機電整合之方式，搭配壓電噴頭、液氣壓控制、墨滴觀測、移動平台以及定位程式等裝置，開發出全噴墨有機薄膜電晶體製程。利用此噴墨系統，搭配環境控制、材料改質、表面處理以及溫度調控等方式，製作出軟性有機薄膜電晶體。 在有機薄膜電晶體的製作過程中，透過製程環境的控制，提高有機材料噴印的穩定性以及 OTFT 電性表現，並且利用表面改質以及絕緣材料的參雜，藉此提高有機薄膜電晶體的性能表現。
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本論文主要以力元（源）理論方法，來探討仿生撲翼下流場結構與翼翅之間的受力關係，即所謂的非定常空氣動力學。了解昆蟲飛行之高升力機制，除可滿足人類對飛行的求知慾外，有助於微飛行器（MAVs）之發展。故多年來持續吸引著國內外學者進行探討。但一直到最近，學術界對於昆蟲飛行機制的探討仍停留在以非黏流之理論或準定常(Quasi-steady)分析非定常問題，透過實驗量測與數值計算結果搭配所獲得的流場結構來解讀各式昆蟲飛行的升力與推力機制，但這些方法之問題在於無法清楚得知整個流場與翅膀受力之間的關係，因此對於昆蟲飛行之高升力機制仍存在許多爭議性的解釋。1992年張建成教授提出一種診斷流場之力元理論，並於2008年與朱錦洲教授將此理論推展至多個物體流場之研究，對此問題提供一個理想的解決方案。 力元（源）理論法乃是引入一輔助勢流於Navier-Stokes方程式中，將其作內積並求體積分，進而求得整體壓力項對物體所造成的外力，其完整呈現物體本身運動所造成的力-加速度項、物體運動項，以及外部流場所影響的-表面渦度項以及整體流場渦度項。引出升阻力的概念，不但清楚區別各流場中的每一個流元(fluid element)對物體受力的貢獻，更清楚的分解出物體加速以及流場渦漩對物體所造成的影響。本文先探討二維簡化下蜻蜓與果蠅單一翅膀懸停拍翅之氣動力機制。結果顯示昆蟲拍翅過程中，相位角在對稱模式下有最大的渦度升力(環境渦度+表面渦度)；但就平均總升力而言，在超前模式下達到最大值。雖然相位角在超前模式下失去部分環境渦度升力，卻大幅提升了加速度升力。此外吾人提出騎乘升力元素 “Riding on the lift-elements”之概念，此即果蠅懸停拍翅在回轉過程中獲得額外升力的機制。此說法對於探討非定常流場與翼翅加速之間的受力關係有著非常重要的幫助。由於生物運動之複雜性，本文更進一步剖析蜻蜓前後翅撲拍運動時所造成周圍複雜之流場與飛行時所需的升、推力關係。透過多體力元理論獲得雙翅交互作用下之非定常氣動力來源，包括間接非定常效應：前後翅膀本身加速度項與表面速度貢獻；以及直接非定常效應：流場中的渦度項與翅膀表面渦度貢獻。搭配渦度與環境渦度力元分佈圖瞭解蜻蜓如何透過改變前後翅膀平移相位角以獲得高升力與高推力，同時明確指出，流場渦度的融合對於前後翅膀撲拍受力之互助與互制機制，並提供完整且透徹的解釋。此成果為力元的分析在仿生流力應用上奠立了堅實的基礎，且提供該領域一嶄新之研究視野。 本論文組織安排如下：第一章闡述過去研究仿生主題之背景與目的，並做相關的文獻回顧。第二章介紹所使用的數值模擬程式（Fluent）架構與理論背景，以及引入力元理論法所需的使用者自訂函數，同時詳細說明動態網格法則。第三章介紹力元理論與多體力元理論。第四章為實驗方法與配置。第五章分析蜻蜓與果蠅懸停飛行下之氣動力機制。第六章剖析蜻蜓前後翅拍動交互作用下之氣動力機制。第七章為結論與未來展望。
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中文摘要 以細胞為基礎的分析檢驗系統中，最基本的需求就是能有效溫和地操控細胞至特定位置且不會傷害細胞原始表現。本研究中，我們提供了一個以流體動力式的穩定流場來抓取懸浮細胞，並且可以利用此流場增加流體的混合效率。其設計是利用勞倫茲力驅動一微小平板 (100 μm × 100 μm × 1.2 μm) 在液體內作平面的共振運動。如此，有兩種型態的流場產生，其中一種是相對較小尺度的二維對轉渦漩，另一個是相對較大尺度的三維循環流。 實驗結果包含應用在微混合器之混合效率、微渦漩的動力討論、生物粒子的抓取和釋放、細胞在渦漩中的存活測試和即時單細胞免疫螢光標定之監測。三維流場應用在微流體混合中，其混合效率可在1毫米內即達到X90的混合效率(X90代表達到90% 混合所需要的距離)。在二維微渦漩的動力討論中，對轉微渦漩可以在 2-9 Vpp 操作電壓範圍，產生相對旋轉頻率達0-6 Hz，在細胞抓取實驗中特定的操作電壓 (2-7 Vpp) 範圍內，抓取的生物粒子可以持續抵抗背景流速一直達到特定上限。此背景流速上限隨著渦漩旋轉速度增加而上升，如此藉由不同操作電壓可以定義出細胞抓取時所需要的力量界線。 一系列細胞抓取實驗測試中，有人類胚胎腎臟幹細胞、紅血球細胞、人類淋巴癌血球細胞和抗體IgG，均可以成功被抓取。以細胞大小的粒子為例(10 μm)，其抓取的力量為12(+-)2.0 pN 大小等級，奈米級生物粒子(抗體)則在160(+-)50 fN 範圍。此外紅血球抓取實驗證實此渦漩有抓取非球體形細胞的能力。 另外細胞存活實驗也提供了細胞可以在微渦漩中存活至少30分鐘之依據。在以多功能目標的設計下，我們將能產生三維流場的混合器的和能產生二維微渦漩的細胞抓取元件分別整合在微流道的上游和下游。 利用這個整合型平台，Jurkat懸浮細胞 (或單細胞) 可以作即時CD45抗體的螢光免疫標定之監控，實驗結果發現僅有被微渦漩抓取中的細胞能漸漸呈現紅色螢光。這個包含有一個高效率微混合器和數個多功能抓取細胞的元件，將非常適合應用在細胞大小等級和巨分子生物粒子(像是抗體、核酸)的檢測相關應用。 在未來發展中，此種流體動力式技術可應用整合在多方面的研究和使用上，像是懸浮細胞培養、單細胞與流體動力之研究、藥物篩檢、收集並增加微量生物粒子濃度的研究。
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本研究主旨為發展一戶外自動導航車系統。系統包含主控站、參考站和無人車三個部份。無人車整合了GPS接收機、電子羅盤、雙眼相機和六個超音波感測器等感測元件。無人車預先偵測前方障礙物形狀與位置，且在障礙物進入其運動方向之安全範圍時進行避障；藉由全球定位系統載波相位三次差分法（KGPS）進行全域定位，作為在無障礙物之狀況下之控制資訊；方位角則由電子羅盤輸出獲得，經由無線網路構成的各次系統資訊交換機制，使主控站得以監控無人車行為。 雙眼視覺處理方面，利用左右影像疊合時會產生一平面視差之原理得到無人車前方地理資訊。首先利用邊緣偵測取出左右影像輪廓，再使用影像處理方法將影像疊合找出並標出障礙物與地面的交界線。最後經由同點異像矩陣計算出前方障礙物的位置與距離，作為避障資訊之參考。 地形避障控制方面，引入位能場概念。由車體至終點及前方障礙物的距離分別計算引力及斥力；依障礙物邊緣座標點設計高斯分佈之能量場，計算總位能；其後使無人車行經於最小位能處所形成之平滑曲線，並控制其角度和速度輸出以規劃路徑。 即時避障控制方面，利用VHDL語言配合FPGA開發板設計一控制六顆超音波感測器輸出輸入電路，再透過超音波感測器得到距離資訊。此六個超音波感測器乃由設計控制器管理，經由規則庫系統推論無人車所需要的角度和速度輸出，對移動中的障礙物進行即時避障控制。 將上述感測器及其避障模式加以整合，使無人車在不同環境中能避障及抵達終點。觀察各個避障模式結果，驗證本論文的理論確實可行。