國立臺灣大學生物產業機電工程學研究所學位論文
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本研究旨在建立適合家電型植物栽培設備使用的降溫系統，並找到最佳栽培系統與相對應的養液溫度，再以此策略提升家電型植物栽培設備的栽培效率。先以致冷晶片建立適合家電型植物栽培設備使用的降溫系統，比較以不同控制策略的控溫結果與總耗能，並進行不同栽培系統在高氣溫下以不同養液溫度栽培波士頓萵苣與皺葉萵苣的試驗。最後再結合所建立的降溫系統與最佳栽培系統的家電型植物栽培設備進行栽培試驗，驗證改善策略之可行性。 研究結果顯示以 Fuzzy PID 控制策略作為致冷晶片降溫系統的控制方法，與傳統的開關控制策略相比較能夠降低約 44 % 的系統總耗能。不同栽培系統在高氣溫下降低不同養液溫度的栽培結果，發現使用潮汐式栽培系統並將養液溫度降低至 25°C 的條件下栽培波士頓萵苣，能夠得到最佳的栽培效率，而皺葉萵苣則無法以此策略來提升栽培效率。最後套用改善策略於家電型植物栽培設備並栽培波士頓萵苣，能夠得到 81.1 g 的地上部鮮重，與原始設備相比，能夠提升 174.6 % 的總產量與 33.7 % 的栽培效率。 以上述設備為基礎，本研究針對兩種栽培情境作探討，其一為三口之家的家庭，得知使用約 0.6 坪與 1.1 坪的土地面積，即能夠達到供給 50 % 與 100% 的每日蔬菜需求量 (每日 1200 g) 的目標，且平均一株菜的生產成本約為 21 元。其二為提供 10% 的台北市人口 50 % 的每日蔬菜需求量，這相當於可每日產出約 54 噸的蔬菜。由於產地即為消費地，完全沒有運輸成本，且具有低碳足跡與幾乎為零的食品里程數，因此驗證了使用本研究的栽培設備搭配適當的栽培條件能夠實現低碳環保家用型植物工廠的理念。
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台灣農藥檢測目前以儀器分析法為主，雖然儀器分析可以提供精準的結果，但儀器價錢昂貴、檢測過程繁雜、時間耗費較長、且需要專業的操作人員。與此相比，免疫分析法具有高專一性、快速、靈敏、及檢驗成本低等優點，其利用抗體抗原的專一性反應檢測樣品的含量，現今已被廣泛的應用在對於農藥的殘留分析上。然而，免疫分析通常需要一系列複雜的操作步驟，乏味且耗時。 為了將免疫分析的檢測方式普及化，例如應用於紙上，我們需要一種控制流體流動方法，來將複雜的操作步驟整合地且自動地執行，因此， 本研究利用時間閥(timing-valve)的方法配合紙式微流道的設計控制流體在紙上流動的順序，將進行免疫分析所需要的抗原抗體透過流體的操作依次傳輸到檢測區，時間閥的控制方式透過溶解不同濃度的介面活性劑來達到控制流體在紙上流動的順序。 在本論文中以益達安(Imidacloprid)為農藥殘留檢測的例子，並且成功的利用紙式微流道的設計配合時間閥的控制流體機制，達到在紙上進行免疫分析的操作，其結果證實了以簡單的紙式微流道裝置配合時間閥的設計，就可以在紙上進行多步驟的流體操作。
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近年來小型四旋翼無人機廣受世界各國所重視，由於其製作價格低廉、操作容易，教育訓練時間短，而且可進行垂直起降以及空中懸停，其優異的性能廣受各大研究領域所使用。而不久前全球空拍機市占率最高之某公司更針對農業領域推出其大型農業植保無人機，其可透過地理資訊系統進行精準定位施藥，由此可見當前無人機應用於精準農業之方向正在興起。 本論文探討以小型無人機應用於水稻作業之可行性，在工程可行性方面，首先透過市售之小型四旋翼空拍機進行農地面積比例量測。接下來透過小型四旋翼飛行平台裝載自製之噴藥設備進行福壽螺防治作業，透過直接噴灑70%耐克螺可濕性粉劑於水稻田間，並於施藥過後3天以空拍機進行監控稻苗狀態並抽樣影像進行稻苗折損率計算。最後透過小型四旋翼飛行平台裝載種子散佈設備於水稻田休耕期間進行油菜花種子散佈作業，並在種子散佈過後30天以抽樣影像方式於田間觀測油菜花種子萌發情形。在市場評估方面，則透過蒙地卡羅法來針對農業植保無人機所替代之農機產品進行價格模擬並更進一步估算農業植保無人機之市場規模。 經由實驗證實小型無人機可應用於台灣水稻農作的農地面積比例量測、福壽螺防治作業以及油菜花種子散佈作業。在福壽螺防治作業部分，通過稻苗折損率的計算，無人機施藥之稻苗折損率約在1%上下，與一般稀釋後施藥之稻苗折損率無異。而在經過計算後，推估台灣農業植保無人機市場約在八億上下。
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植物在其生長過程中非常容易受到病蟲害的干擾，使該植物的品質下降甚至死亡，根據世界衛生組織的估計，世界上的農田若沒有使用農藥，農作物的產量將損失40~50%，故為了達到保護植物健康的目標，必須以藥物提供保護，使其可以順利成長並保持良好的品質，才有辦法使世界上的蔬果量足以供應全球日益增加的人口數。 噴嘴的選用及其使用方式為影響防治病蟲害效果及農藥飄散的重要因素。當使用的噴嘴具有過大的流量或是太小的霧滴粒徑(DV50)，雖然可以達到很好的防治效果，不過所造成的農藥殘留和農藥飄散會比較嚴重。嚴重的農藥飄散將有可能危害施噴人員的健康，也有可能使該農藥飄散至附近的林田或河流，導致附近林田所種植的植物殘留一些不應該有的農藥成分，或是污染該地區的空氣及河流。而本研究目的是為了了解國內常用噴嘴的重要參數，包含流量、霧滴粒徑(DV50)與飄散距離，更進一步找出應該如何分類這些噴嘴。 本研究針對所選用的噴嘴，在操作壓力為5、10、15和20 kgf/cm2進行流量和霧滴粒徑(DV50)的實際測試。流量的量測主要以讀取量筒上的刻度進行量測，而霧滴粒徑(DV50)是使用粒徑分析儀(the Spraytec Malvern 2000)進行量測。收集霧滴粒徑(DV50)大小及其分佈情形後，使用軟體(DRIFTSIM)進行飄散距離之模擬，藉由此飄散距離提供在不同地區農田間該有緩衝區大小的建議。 實驗結果顯示DV50的值介於53.19到103.47 µm之間。若使用美國農業生物工程學S572.1進行分類，所有噴嘴會落在極細(Extremely Fine)或非常細(Very Fine)的範圍。由於所有噴嘴的DV50相當接近，吾人認為將噴嘴按照此參數且僅分為兩類並不太妥當。分類的方式應該要參考其DV50<100之流量排序進行分類。 關鍵字: 國內噴嘴、流量、體積中量值、農藥飄散
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蚵車為本土產業自主研發及成功製造的產業機具之一，主要作業為運輸採蚵用器具及收成後之帶殼生蚵，因其良好的地形適應能力及不怕海水侵蝕，廣受蚵民之喜愛，也著實減輕了蚵民的運輸作業辛勞。 近年來台灣的蚵養殖工作環境已有很大的改變，由早期簡單之人力、牛力拉車及踩踏車，進步到目前採用動力引擎之車輛，而此種動力車輛其安全性是否無慮，實屬有關蚵民及當地漸增遊客生命安全之重要議題。 本研究先參考農地搬運車性能測定之內文，以實車測試出煞車距離、最小轉彎半徑、靜態翻覆角及平地與坡地試驗等安全性參數，再以電腦輔助工程軟體(ADAMS/Car)為研究工具，利用該軟體建立蚵車之全車運動模型並進行模擬分析，其車輛規格依照實車量測以及彰化王功地區製蚵車工廠提供資料並參與討論所得。實驗中蚵車之最高限速為20 km/h，其配載引擎之馬力為19 hp，載貨台模擬空車及600 kg之載重，並進行不同之虛擬路面，觀察其模擬結果，並與實車測試結果相比較。 實車測試結果顯示打滑率均在1%內，最小轉彎半徑為3.25 m至3.54 m，坡地試驗中蚵車可以停駐於15度斜坡無滑動，這幾項試驗中蚵車性能良好。但蚵車之煞車距離在空車及載重547 kg時，均遠大於農地搬運車性能測定標準，時速(km/h)之15% (m)，靜態翻覆角約在25度左右，也與標準值35度有一段差距，此兩項數據使蚵車之安全性無法符合規定。 電腦模擬結果顯示煞車距離主要由載貨與否影響，載重時煞車距離數據變大，但空車與載貨600 kg時，皆無法符合農地搬運車性能測定之標準，且約為標準值兩倍之多。此外，最小轉彎半徑為6.11 m至6.44 m，雖與實車測試結果有誤差，但轉彎性能仍屬良好。進行坡地模擬時，使搬運車停駐於15度坡地之車體重心維持穩定無滑移。此款採用動力引擎之蚵車，經實車測試與模擬測試之安全性在煞車距離及側向翻覆角數據均無法符合農地搬運車性能測定標準，如需進一步合法化，須加以改良或是另訂蚵車性能測定之標準。
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物聯網於近年來開始蓬勃發展，為人類帶來一個資訊透明與快速交換的世界。物聯網可實現智能化識別、資訊管理並融入各種應用當中。各產業無不想方設法導入物聯網，藉以降低成本、提升產品品質與產量，進而增加產業價值。舉例而言，近年來，農業因氣候環境變遷以及食品安全等議題，持續地被世人關注，世界各國無不在考量在農業發展上，可否用更具效率以及安全的方式生產，同時解決農業糧食問題與提升農產品價值。利用物聯網技術打造智慧農業，提供了一個兩全其美的解決方案。本論文提出多個農業物聯網之應用案例，包含設施農業與病蟲害管理，內容闡述如何依照各案例之需求提出解決方案，並分析其效益。 在設施農業上，本論文實際設置一套物聯網監測系統於蘭花溫室與植物工廠中。在蘭花溫室中，本論文可成功監測與分析蘭花生長環境與蘭花葉面積生長情況。根據分析結果，可得知蘭花處於高濕度之環境，其葉面積成長較緩慢，進而影響開花品質。藉由物聯網系統所提供之量化數據與結果，可有效幫助蘭花業者計畫耕種策略。在植物工廠中，本論文可即時偵測區域高溫，並對其進行通風，有效地提升波士頓萵苣之鮮重以及銷售價格。 在病蟲害管理上，本論文亦實際設置多套物聯網監測系統於臺灣各地之重要蔬果產區，並監測多種害蟲，包含東方果實蠅與斜紋夜蛾。此物聯網監測系統可監測該果園受到東方果實蠅或斜紋夜蛾之危害的程度，並利用自組織映射圖網路建立資料分類模型。實驗結果顯示資料分類模型，對檢測事件類型的判定效果極佳，有助於系統鑑別該果園是否達蟲害爆發之程度，以及感測資料是否異常或發生故障。相較於現有之人工定時監測方式，本論文可有效提升監測時空解析度。
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根系吸收土壤中的水分與礦物質供植物體維持正常的生理功能，環境改變時根系亦為植物展現抗鹽、抗旱能力的主要器官。水稻(Oryza sativa L.)擁有多樣的原生品系與馴化品種，各自適應不同的鹽度與水分等土壤條件。然而，地表下的根系的形態特徵是否與水稻的抗鹽、抗旱能力有關，一直是水稻育種研究的重要議題。本研究目的為發展量測水稻根系特徵的影像系統並量測15個品種之水稻幼苗根系形態特徵，首先使用相機拍攝種植在組織培養基中二維水稻根系側視影像，接著以卷積神經網路(Convolutional neural network)進行影像辨識來獲得完整的根系剪影(Silhouette)，透過空間切割(Space-carving)演算法，重建根系的三維影像，並從三維影像中量化根系之形態特徵，最後以地面真相(Ground truth)測試系統準確度。本研究最終量化出15個品種的水稻幼苗根系形態特徵以供水稻育種之根系表現型研究的應用。
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為替代以人體進行高風險且代價高昂的臨床試驗用於評估脈動血氧飽和度測定法準確性的程序，本研究首創以雙腔室封閉流動系統概念建置一簡便且成本合理的光機電系統，並搭配主要攜氧功能的血紅蛋白作為模擬不同脈動血氧飽和度關鍵配方而構成假體系統。首先以重複性量測與調控量測條件參數的方式，得以瞭解欲模仿對象之人體光學特性與適當量測條件，接著建置假體系統表現與人體相仿靜態/脈動光學訊號，假體系統的建置分為四大子系統：（1）模擬血液光學特性的血紅蛋白溶液（2）模擬周邊靜態組織光學特性的衰光濾鏡（3）模擬脈動波形特性的凸輪元件（4）模擬脈動心律的自動化機電裝置，確立假體系統具備模仿人體的能力後，透過搭載不同衰光濾鏡組於假體系統以模擬不同人體的靜態光學特性差異，並瞭解其個體差異對於量測R-Ratio值的影響。結果顯示固定量測距離25 mm與LEDs驅動電流52 mA時，能達最佳量測重複性，且以0.15 mM血紅蛋白溶液填入假體系統，搭載紅光/近紅外光波段透光度分別為2.01%T/ 1.26%T的濾鏡組合與最大/最小軸徑10/13mm凸輪，可使25×20×5 mm檢測槽產生規律性等效光學路徑0.5mm的脈動變化，且可調控自動化機電裝置中的馬達轉速為85 rpm時，等同人體心律數85 bpm，上述組件參數皆能調控而模擬各不同人體，因此，當假體系統分別搭載不同衰光濾鏡組作為代表不同人體，揭露了具不同靜態光學特性的人體間具有不同%SpO2－R Curve，此說明若測定儀採用的經驗校正曲線未適用於患者時發生量測不準確的原因，然而，若施予與市售測定儀相同功能之動態補光進行量測，可顯著觀察作為代表不同人體的兩假體系統之%SpO2－R Curve其斜率與截距逐漸調整至一致等現象。故本研究所建置的評估假體系統具潛力做為模擬不同血氧飽和度狀況之仿真系統，且可藉由衰光濾鏡、凸輪尺寸等組件參數的調整模擬各不同人體之動態光學訊號。
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因應全球農業人口短缺及老化的問題，許多科學家都在著手研究採收機器人之相關議題，希望藉此解決目前農業的人口問題。但目前研究學者所開發設計的採收機器人尚存在著一些問題，例如: (1) 過大的體積與重量可能導致農作物的損害。(2) 機構過重導致制動器需要消耗更多能源來驅動採收手臂。(3) 採收手臂的避障功能不顯著。而這些不利因素將導致採收作業的進行更加困難。因此，本論文提出一新型草莓採收機械手臂，透過複合式關節機構來達到減少機械手臂的體積與重量，同時也能提供維持手臂平衡所需的扭矩，再藉由模仿人類手臂關節機構設計以及冗自由度的關節配置來達到較高的靈活度，以突顯其避障功能優於其他傳統的採收機械手臂。此外，末端的採收夾具利用一觸發機構來彌補複合式繩索驅動的剪斷力不足，也能保留其減少體積與重量的優點。最後透過定義一目標函數，將其對冗自由度參數(RA)進行最佳化分析，並找到最節省扭矩消耗的採收姿態，以及透過Null Space Method的冗自由度避障理論進行模擬，使本論文所提出的採收手臂達到避障採收的功能。
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『熱』是一生物體內酵素生化反應量及代謝量的重要指標。精密測量此一熱量變化，可以用來檢測基質濃度，也可以量化估算酵素活性及酵素動力學。 本研究旨在研發酵素熱生物感測器系統，並將其應用在生物介質的濃度及活性檢測。 本研究發展了三款酵素熱生物感測器系統，設計三種微熱卡反應槽，並分別應用於基質濃度測定、多通道微焦耳熱卡檢測及生鮮蔬菜酵素活性檢測等三個應用領域。 在基質濃度測定方面，本研究發展一種單通道簡易酵素熱生物感測器系統，用來直接快速檢測危害等級的過氧化氫殘留量，係結合醫療級負溫度係數熱敏電阻器做為熱感測器、壓克力(PMMA)反應槽、及自行組裝的高精確溫度檢測系統。經國家實驗室一級溫度校正，在20到30°C之間，本研究發展的溫度檢測系統之精確度達± 0.001 °C，線性相關係數為0.999。當以市售過氧化氫酶做為檢測用酵素時，過氧化氫殘留量線性檢測範圍約為31毫莫耳到1莫耳，判定係數R2為0.999，檢測極限約為53 ppm。 在多通道酵素熱生物感測器系統方面，量熱法生化測量提供各種優點，例如低浪費、低成本、低樣品消耗、短操作時間和省人力。多通道酵素熱生物感測器系統可以增強進行更高通量生物化學測量的可能性。焓傳感器陣列是多通道酵素熱生物感測器系統中的關鍵裝置。大多數的焓傳感器陣列使用惠斯頓電橋放大器來調節傳感器信號，但這種方法只適合用於零位檢測和低電阻傳感器。為了克服這些限制，本研究開發一種多通道同步微熱卡計測定(MCSA)平台、一種可調節微安培定電流源、一種使用微安培來激勵ES陣列電流環測量電路拓撲。MCSA平台包括測量單元，其包含多通道微熱卡計和自動同時注射器，以及信號處理單元，其包含多個ES信號調節器和數據處理器。這項研究著重於MCSA平台的建設;特別是測量的構造電路和熱量計陣列。平台的性能測試，包括電流穩定性、溫度敏感性、和熱敏性。傳感器響應時間和微熱卡計常數。平台檢測相對酶活性的能力也被證明。實驗結果顯示，本研究所提出的MCSA平台是一種靈活的強大的生化測量裝置，具有比現有替代品更高的通量。 在生鮮蔬菜酵素活性檢測方面，本研究開發了批式注射分析和酶–基質反應的酶活性檢測系統。設計多層空氣壁保溫微熱卡室和一次性聚合物反應容器加工的微熱卡裝置，用於通過實施單步測量一級反應的初始速度常數。溫度測量的靈敏度成功檢測為± 0.0015 °C。在反應容器中熱平衡後，通過計算初始速度和與標準酶活性的相關性，在4.5秒測定酶活性。當使用5歐姆微型鎳鉻線加熱器進行校準時，一次性聚合物反應容器的熱容量為6.654 J/℃，標準偏差為0.435 J/℃。可檢測的輸入能量約為10 mJ。當使用0.1 ml 100 mM 過氧化氫作為基質時，獲得來自牛肝的商業純化過氧化氫酶的一級反應的初始速度為0.0044℃/s/unit。其中獲得的小黃瓜、紅鳳菜、胡蘿蔔和甜椒的新鮮蔬菜汁具有一級反應的初始速度為0.0137、0.0118、0.0054和0.0021 ℃/s，換算未純化的過氧化氫酶活性約為31.3、26.9、10.5和4.8 units/ml。本研究的方法可以作為純化和未純化樣品中過氧化氫酶活性的快速且易於實施的測定。
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