臺灣大學應用力學研究所學位論文
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由於鋰離子電池的電化學參數過於繁雜，並且會隨著電池的老化而改變，目前推測電池老化的方式都是由電化學模型再附加一個老化模型進行模擬。而在本研究中，將提出一些全新的方法對使用過後的鋰離子電池之電化學參數進行評估。從實驗結果得知，電池在充放電過程中電荷(Q)-電壓(V)圖形的一階導數dQ/dV圖形峰值之偏移量，會隨著電池的老化而有所改變。因此，透過dQ/dV圖形峰值的偏移量，進而得到電化學參數隨老化改變的資訊。 首先LCO電池的部分，使用全新電池經小電流放電後的電荷(Q)-電壓(V)圖形為依據，調整大部分的參數使模擬的電荷(Q)-電壓(V)圖形與實驗吻合，取得全新LCO電池所有的電化學參數。由文獻中的實驗結果得知，LCO電池使用時正極活性材料表面並不會有明顯的改變。因此，歸納出負極鋰離子初始濃度(Cs_neg)及負極顆粒體積分率(εs_neg)兩個電化學參數為主導鋰鈷氧電池老化的主要參數，並改變這兩個電化學參數進行模擬，取得電化學參數與dQ/dV圖形峰值偏移量的關係，建立資料庫。經由循環老化實驗取得電池老化後dQ/dV圖形峰值偏移量，查詢模擬所建立之資料庫，便能得到電池老化後的電化學參數，再進一步建立電化學參數與電池容量之間的比例關係，最後比較藉由電化學參數推出的容量與實驗測得的容量進行驗證。 本研究對主導LFP電池老化的電化學參數進行評估，藉由dQ/dV圖形提供更多的資訊，歸納出LFP電池在老化前期由負極鋰離子初始濃度(Cs_neg)、負極顆粒體積分率(εs_neg)、正極粒子半徑(rp_pos)為主要變動的電化學參數。LFP電池在老化後期則為負極擴散係數(Ds_neg)所主導。再實際對LFP電池進行實驗，並與文獻實驗結果比較，發現LFP電池若是要有較精準的dQ/dV圖形測試電流必需很小，溫度的誤差不能過大。 利用NCA電池的電化學老化模型，透過dQ/dV圖形的比較，驗證文獻中Alawa tool的模擬結果，發現dQ/dV圖形中的Peak 1偏移是受到電極活性材料損失的影響。最後，NMC電池的部分，本研究透過調整負極鋰離子初始濃度(Cs_neg)、負極顆粒體積分率(εs_neg)、正極顆粒體積分率(εs_pos)，觀察dQ/dV圖形中峰值的變化，提出一套求解電化學參數的流程。
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孔洞駐極體材料為一種具可撓性、輕薄之聚丙烯薄膜，從截面觀察可發現許多扁平之孔洞結構，使其具有穩定的儲存電荷能力，常被用於各式致動器與感測器上。而在致動器部分，其電荷分布平均、形狀設計容易、高效率及低聲學阻抗使其常被用在聲學相關之應用，而由於其共振頻位置位於300 kHz左右之高頻區域，多用於超聲波相關之應用。相形之下，此種薄膜十分輕薄，因此其低頻響應不佳，若作為揚聲器振動源，難以在低頻擁有較大之振動幅度。本研究透過提升薄膜張力與改變孔洞結構，影響薄膜之聲壓頻譜輸出，透過施加張力與產生負壓的方式於薄膜產生應變，使內部之孔洞結構趨於扁平，藉此影響其聲壓頻譜響應。本研究並將此概念應用於陣列式結構，利用抽氣施加負壓使其中每個單元薄膜之孔洞的扁平度下降，並經紅外線加熱維持薄膜形狀。由實驗證明提升孔洞扁平度約53.3 %，並可提高聲壓輸出並使聲壓響應往低頻延伸。本研究並研究振動單元之形狀大小對薄膜之聲壓頻譜輸出之影響，並將雙層薄膜結構引入，研究其對聲壓的影響。在陣列單元的變因中，單元之特徵長度為影響聲壓頻譜響應之主要因素，若增加單元尺寸，聲壓響應隨之增大並且有往低頻移動之趨勢，其中，利用陣列單元為直徑12.5 mm圓形之4×4之蜂巢式陣列，聲壓平均整體較抽氣施加負壓前提升9.9 dB，特別是在1 kHz到13 kHz的範圍內，有47 %的提升，而在1 kHz到10 kHz之範圍內，擁有相對平坦、聲壓平均值為48 dB之曲線，而陣列單元為直徑15 mm圓形之4×4之蜂巢式陣列相較於單一矩形薄膜聲壓在1 kHz到12 kHz提升了34.3 %，相較所有裝置有較良好之聲壓頻譜響應。本研究驗證提升孔洞的扁平度及增加陣列單元之特徵長度可提升聲壓及低頻響應之研究目標。透過這些研究，找出更適合應用於揚聲器之薄膜參數，希望在未來製作出頻域廣、擁有低頻輸出之可撓式駐極體揚聲器。
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工具機主軸的熱誤差是影響加工精度的主要因素之一。主軸在運轉時會因軸 承與接合處間的摩擦而導致升溫，使得主軸產生熱變形，嚴重影響工具機之加工精 度。本研究透過高速主軸的幾個特徵溫度點和主軸轉速，應用三種機器學習演算法 分別建立主軸軸向熱誤差預測模型，進一步探討不同演算法對於主軸軸向熱誤差 預測的表現。 本研究首先分析傳統前饋神經網路之建模原理與表現，考慮其簡單且適應性 高，但無法展現系統之動態時序表現，採用了門控循環單元和極限梯度提升，門控 循環單元是遞迴神經網路中的門控機制，對系統的動態時序表現能有更完整的描 述;極限梯度提升法運用集成學習，大幅度地提升樹模型的性能，有快速、準確、 可靠度高的特色。 由實驗結果得知，不論是門控循環單元模型或極限梯度提升模型對主軸之軸 向熱誤差預測表現皆優於前饋神經網路模型，特別是藉由極限梯度提升模型預測 之結果與實驗的誤差在±3𝜇𝑚內。
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研究主要分量子化學計算與分子動力學模擬兩部分，在量子計算方面，我們使以MP2/aug-cc-pVQZ計算乙醇分子單體之結構最佳化，並以自洽理論(Hartee-Fock, HF)、微擾理論(Møller–Plesset Perturbation Theory, MP)及耦合簇理論(Coupled Cluster Method, CC)等方法對乙醇分子二聚體的分子間作用力進行計算，所有計算均使用Basis Set Supperposition Error(BSSE)修正，其中在HF與MP2方法所搭配的基底為Pople’s medium size與Dunning’s correlation consistent，並對其做最佳化處理，在CCSD(T)則使用aug-cc-pVDZ繪製勢能曲線。接著使用四種方法計算基底極限值(CBS)與MP2計算做比較。我們接著針對選定的19種構型，使用PSI4軟體內的SAPT分析將乙醇分子二聚體間的勢能拆解成四種不同的能量，分別為靜電能、交換能、誘導能與色散能，分析對於不同構型的乙醇分子二聚體，各項吸引力與排斥力對其勢能的影響。 計算完成後，我們使用以原先的OPLS 4-sites model為底，進行修改與新增後得到的9-sites model擬合量子化學計算得到的19種構型的乙醇分子二聚體勢能曲線，架構出力場，並將其代入牛頓方程式去進行分子動力學模擬，接著與實驗值做比較。模擬部分我們沿著汽化曲線從三相點模擬至接近臨界點，得到各溫度下的徑向分佈函數(Radial Distribution Function, RDF)、速度自相關函數(Velocity autocorrelation Function, VAF)、擴散係數(Diffusion coefficient)與黏滯係數(Viscosity)等，與實驗值做比較後皆得到相當不錯的模擬結果，代表以量子化學計算結果架構出的力場進行分子動力學模擬有一定程度的可靠性。
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在近十幾年來，因Janus粒子特殊結構性的關係，使其在不同領域上受到諸多學者的注意，漸漸研究出許多不同的應用，其為利用電場來控制Janus粒子的運動以達到藥物輸送、自組裝或細胞分離的目的，而要達到Janus粒子控制的目的前，首先須先瞭解Janus粒子受到電場作用後，其極化機制對於粒子運動的影響，而從文獻上可知目前探討膠體粒子的極化特性的方法，主要以電旋轉或介電泳的技術來量測不同頻率下的膠體粒子（角）速度的差異，並透過改變粒子大小或是溶液導電度的變因，探討其因極化能力的改變而導致特徵頻率改變之原因。由於最初的膠體粒子極化機制並沒有考慮到溶液中固液介面形成的電雙層對極化的影響，因此在後來便有將電雙層因素考慮進邊界條件的膠體粒子極化機制的數學理論推導，但整體的極化過程目前還不是太明確，再加上後來的特殊結構的Janus粒子的極化特性所發現的不同於膠體粒子的極化能力且無法使用膠體粒子的極化理論來解釋，因此使得Janus粒子的極化特性變得更為複雜有趣。 在我們的論文中，我們會先利用模擬的方式來說明膠體粒子及Janus粒子在電旋轉下的極化特性且在不同頻率下對角速度影響及Janus粒子的特徵頻率放大且低頻再次反轉之現象，瞭解兩種粒子的極化機制後，我們將會設計多層的表面結構在Janus粒子的金屬側上，透過實驗的方式以電旋轉技術量測其頻譜，而我們發現了多層結構的Janus粒子其特徵頻率會再次放大且轉速會有下降之現象，為了瞭解其多層結構所影響的粒子極化能力，我們會再使用模擬的方法來輔助瞭解多層結構的Janus粒子其極化機制的改變原因，而從模擬結果上可以知道其極化能力的改變都與電雙層形成的快慢及完整性有關，即電雙層所產生的電偶極矩與粒子本身受到電場作用而感應出的電偶極矩彼此耦合後與電場之間的關係，因此透過本次論文的研究，我們提出了一個模擬的電雙層模型來清楚的解釋膠體粒子及Janus粒子在受到電場作用後的極化機制，接著使用實驗與模擬的方法探討及解釋表面多層的結構如何有效的改變Janus粒子的極化特性，隨著全盤的了解Janus粒子的極化機制及控制極化能力後，或許可以達到設計粒子極化能力之目的，在未來操控粒子的應用或是提供給感測器應用在針對表面結構探測的奈米機器人設計上之資訊。
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在本論文中利用雷射誘導石墨烯（laser-induced graphene）之技術來做為紙基底感測器上之電極，由於紙基底材料可變形之特性，其石墨烯的表面結構受到紙基底之影響產生了不同的變化。本論文即探討雷射誘導之石墨烯在紙的不同側受到彎曲變形時，其作為電極使用之特性變化，發現電極位於凹面與凸面有兩種截然不同的電阻變化模式，當電極於凹面受到彎曲，其隨著彎曲程度變大，電阻值將會越低，而當電極於凸面受到彎曲，其電阻將比未彎曲前來的大，我們透過了材料間的重疊與裂縫來解釋此現象。而除了探討其內部物理模型外，由於其為紙基底材料，壽命較不穩定，故我們透過塗布高分子的方式來保護其結構，使其訊號穩定並讓使用壽命大幅延長，其亦使得電阻變化模式產生了改變。 由於上述研究之成功，我們試圖在透明的玻璃紙上也重現以上之結果，卻發現其有另一種複雜之物理機制。透過非對焦雷射，我們可使一些物質固定於玻璃紙上，例如加入一些導電墨水，可使玻璃紙也成為可設計電極形狀之材料，且由於玻璃紙會吸水的特性，我們發現其電阻值會隨著濕度產生變化，故我們亦探討其電阻與濕度變化間之關係。而除了固定導電墨水以外，利用相同方式我們也成功發展出其他應用，例如：將磁性物質固定於玻璃紙表面使其可以被磁鐵所吸引，以及將澱粉固定於玻璃紙表面，使其成為能檢測含碘液體之感測紙…等等。 最後將另外提出紙基底感測器於人工智慧手勢辨識上之應用，透過將添加高分子後的感測器安裝於手套上，量測不同手勢其訊號之變化，結合機器學習與深度學習來個別訓練感測器，使其具有能辨識手勢數字0到9之能力，有望開拓紙質感測器於各式領域之應用。
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在本研究團隊之前的研究中，已開發出了以擴散質傳效應為主導的雙腔室三維微組織平台，一為以Vasculogenic血管新生術培養血管網絡的腔室，另一為培養腫瘤並用以誘導腫瘤血管新生的腔室，平台主要於低氧環境(5%O2)下進行培養，而因微組織平台由PDMS所組成，透過將PMDS的厚度控制在3-4mm厚且於微組織平台下方使用壓克力平板做為支撐的載台，可使微組織平台內部產生缺氧的環境。此外，給予平台內以寬度為50μm的連通孔互相連接的兩個腔室一穩定的靜水壓力，藉此控制提供的養分梯度以及腫瘤細胞及纖維母細胞釋放出血管新生因子(如VEGF)的濃度梯度，並透過測試不同培養參數培養出三維微組織。在此研究中，我們透過將腫瘤腔室的細胞通入口的設計進行改良，以順利地將平均直徑大小為763.55μm的結腸癌細胞球(SW480 tumor spheroid)和纖維母細胞(Fibroblast)混合纖維蛋白凝膠種入腫瘤腔室，但由於腫瘤細胞球結構與通道的限制，腫瘤細胞球的平均直徑在種入腔室後變成342.78μm，隨著培養至第14天，並在以擴散質傳的機制下，腫瘤細胞球逐漸增大，第14天的平均直徑達到615.71μm，若將細胞球視為一圓柱體，體積約增長3.2倍。透過缺乏養分及氧氣的三維腫瘤組織釋放出血管新生因子並產生穩定的濃度梯度，證實可以誘導血管腔室內已完成血管新生(Vasculogenesis process)的血管網絡產生血管新生芽(Angiogenic sprouts)並通過連通孔向腫瘤腔室進行生長。此外，根據腫瘤面積的大小，會影響血管網絡的平均面積比，且在腫瘤尺寸於培養14天後直徑為619.72μm時，可觀察到血管芽生進入腫瘤的現象，其中最大的腫瘤血管新生芽長度為1146.7μm，而最大的血管新生芽深度為1069.6μm，成功誘導腫瘤血管新生的現象。 透過此研究所開發的具有三維腫瘤組織的腫瘤晶片，期望在未來能建立更接近腫瘤於人體進行生長的微環境，以將其應用於疾病藥物的篩選過程，加速新藥的開發，並針對個人化醫療進行不同腫瘤細胞的研究，以此達到精準醫療的效用。
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流體流過鈍物是流體動力學中探討已久的問題。1903年12月17日萊特兄弟駕駛自行研製的飛機飛行者一號成功的在人類歷史上首次重於空氣的航空器持續而且受控的動力飛行。提供飛機升力的機翼，受到均勻入流在縱方向產生壓力差造成升力。自此，流體圍繞鈍物之研究不斷出現。大部分的工程應用的設施為圓柱體，沉浸於空氣流場。了解流體圍繞圓柱相當於了解這些設施的流場。 本實驗主要在探討多圓柱繞流流場。實驗以甘油當作工作流體，在雷諾數30-120的範圍內，量測多圓柱在不同排列下所受阻力，升力，漩渦脫離頻率，流場情況，渦度分布，等等。將這些實驗測得資料整理歸納，找出不同量測項目之間的關聯性。同時，數值模擬搭配來驗證理想狀況與現實情況的差距，找出差距原因並加以討論。透過本實驗希望能在往後工程設施的設計上能提供分析及預測，提高流場的控制性。 初步的實驗結果有對於流場速度場的驗證。另外對於單圓柱的頻率與其他實驗結果相比有吻合；而模擬在單圓柱方面有了全面的驗證，包括阻力，最大升力，頻率。雙圓柱則是將流場結構，阻力，頻率等等做了驗證。根據實驗的結果顯示當在圓柱後面擺設控制圓柱有助於降低前圓柱的阻力，擺設方法與圓柱大小依據不同雷諾數與圓柱直徑有關。本實驗最終目的是利用最小的圓柱(最少的材料)來有效降低前方圓柱的阻力。目前發現當二圓柱串聯排列時，二圓柱 總和阻力小於單一圓柱。當後方圓柱漸漸往上提後，二圓柱總阻力增加外，前方圓柱之阻力甚至大於單一圓柱。 本實驗從單圓柱流場觀察出圓柱二側有一對強度一樣，一正一負的強渦度線，從圓柱二側出發後擴散至下游。此強渦度對圓柱受力有顯著的影響，而此影響可以透過串聯與交錯排列圓柱看出。
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近數十年來，由於城市高速擴張，計算流體力學 computational fluid dynamic 逐步完善，且受益於電腦性能高速發展，使得都市建築不再需要進行昂貴的實驗，即可利用數值方法得到風場的物理特性。在此一領域中，多數研究均針對行人風場、室內通風與建築物間之交互作用，當環境風速上升，由於不同建築物之排列，容易在行人風場的高度產生強風，致使地面行人行走困難，或甚至建築物受損，當行人風場之強風順著車道灌入地下室後更會導致人員產生不適，甚至鐵門與 機械 無法正常運作。 本研究 針對主建築物之地下室，在東北季風盛行之季節，探討將產生何種變化，且在建築物四周均已有新的建案在建設，本研究之模型亦將此一因素一併考慮，計算縮流效應之影響。為了逼近現實條件，入流使用都市條件下之指數剖面大氣邊界層，建築物表面與地面設定為無滑移條件，計算域之流體出口分別設置於外流場出口、地下室出口與電梯間。 現今數值模擬已能針對非定常之紊流模型進行計算，各種不同模型包含 DNS、 RANS、 DES與 LES等，各模型均有其側重之優勢與劣勢，本研究採用 𝑘−𝜀模型 雷諾平均方程 ))，在數量龐大的網格下能以較少的資源 進行計算，研究結果表明，進入地下室之流體並非原本行人風場高度之流體，而是來自建築物中間到 3/4 高度之下衝渦流，而在車道上加蓋或是改變地下室內之特定位置之結構，均能使地下室之衝擊壓力與流入地下室之質量流率明顯下降，另研究結果也顯示，在相鄰較近距離之兩棟建築物由於中間流體加速，產生渠化效應 (channel effect)，使接近地面之流體向中間移動。
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二維過渡金屬二硫屬化合物 (2D Transition Metal Dichalcogenides, TMDs) 是一種結構類似於石墨烯 (Graphene) 的化合物，其結構特徵為在同平面上原子排序呈現六邊形蜂巢狀，且側面原子間排序呈現上下交錯排列。金屬(如二硫化鈮、二硫化鉭)或半導體(如二硫化鉬、二硒化鎢)等二維材料相繼問世後廣泛應用在光學、光電探測器上，因其熱穩定性高，可在室溫下穩定存在於大氣中，使得此類二維材料迅速成為熱門材料及研究的熱門課題。 欲進行多元金屬硫屬化合物二維材料之理論計算來探討不同濃度結構的混合能量以及基態能量，由於其化學環境複雜，難以找到準確的古典勢能場以進行分子動力學模擬；第一原理計算雖能精確計算原子間作用力，但需要耗費大量的計算資源及時間，且計算尺度被限縮在幾百個原子內。在本研究中，考慮到過渡金屬硫屬化合物不同原子的隨機排列，系統規模超過第一原理負荷。因此，本研究使用第一原理計算之小尺度系統當作訓練範本，結合神經網路與機器學習方式擬合出能夠準確描述大尺度系統並進行分子動力學的勢能模型。 訓練完成的神經網路勢能先以測試集驗證其系統能量與各別原子受力之準確度，顯示出神經網路勢能除了有與第一原理相當之準確度，且具有更高的計算效率，亦可應用於第一原理難以處理之大系統。神經網路勢能模型能夠迅速又準確的估算複雜的化學環境，進而進行大尺度的模擬以探索其材料性質。本研究以約兩千個原子的結構進行蒙地卡羅模擬，在不同種多元素組成的結構下計算不同濃度結構的混合能量以及基態能量，其複雜的化學結構很難從實驗中獲得，機器學習勢能模型展示出可以用來探索微觀結構下的複雜化學環境。