子計畫七：智慧感測
主持人：吳靖宙
團隊成員：吳嘉哲、溫志煜、蔡曉萍、葉鎮宇、斐靜偉、廖育德(交大)
一、子計畫推動重點、成果與特色亮點
(1)生物與化學感測元件研究：
本年度研究重點為發展自動校正功能之水質感測裝置，以pH感測器為例，設計出可結合輸送微量校正液之流道與固定感測電極用插槽的三維結構治具，並利用Wi-Fi模組的微控制器、感測電路模組和電控微幫浦，實現原位自動校正、長時間即時量測與行動裝置即時監控之智慧感測應用。該微流道可搭配電控幫浦輸送校正液，以在IrOx-based pH電極表面形成校正液水層，進行單點校正程序。此裝置以搭載Wi-Fi的微控制器為主控端，進行液體pH值量測、微幫浦控制與訊號分析，並決定電極校正時程與程序。藉由Wi-Fi模組執行雲端傳輸與資料紀錄，可利用智慧型手機進行顯示與控制。此裝置可結合數據處理，智慧判斷電極狀態，再進行電極校正並監控水質；亦可當檢測液pH值超出合理範圍時，給予用戶警示訊號，在無需人工校正下，實現遠端智慧感測。
本年度另一個研究重點為開發水中重金屬檢測系統。有別於大型重金屬檢測裝置，計畫中結合拋棄式電極與小型化電化學檢測儀，開發一套新型可攜式的電化學檢測裝置來快速檢測鉛與鋅離子濃度。此裝置利用方波陽極剝除伏安法，施加還原電位將鋅離子沉積至電極表面，再施加不同的電位掃描將沉積的鋅離子剝除回到溶液中。在混合電解液(1mM HCl 0.5M NaCl)的環境下，可發現電極表面的鉛和鋅離子具有單氧化峰的電流響應訊號。偵測所產生的電流訊號，可用來定量分析飲用水中鉛和鋅離子的濃度。此技術將應用於養殖用水和灌溉用水質的監測。
(2)低功率無線傳輸與系統整合：
本年度推動重點在於物聯網的即時感測與監控，探討關鍵軟硬體要件及應用平台之系統設計，其中包含感測器、致動器(actuator)、無線智慧閘道(gateway)、伺服器、自走車載具以及服務平台等等。透過此系統架構，並結合自走車載具的行動能力，網路運作基礎與核心應用之運作邏輯將得以實現。
(3)自主發電材料與儲能設備的開發研究：
本年度研究重點，主要在設計並製作可攜式超低電壓升壓與儲能電路，用於光驅動電池，產生足夠的能源。並希望此一能源轉換系統可以順利應用於超音波、心律檢測系統。我們應用常見的矽晶與染敏光驅動電池，在光強度2500 lux~6000 lux的範圍中，矽晶光驅動電池的輸出電壓約在0.31 V~0.34 V之間，轉換效率約在7.89%~8.82%之間，而染敏光驅動電池的輸出電壓在0.49 V~0.57 V，轉換效率在13.12%~15.34%。確認在低光照的環境下，染敏光驅動電池的電壓及轉換效率較好，因此選擇染敏光驅動電池作為升壓模組的輸入端，來驅動模組進行升壓對電池充電，讓升壓模組可以具有較高的轉換效率。以染敏光驅動電池的數據為依據，設計小型升壓模組，開發包含升壓、儲能及最大功率追蹤等功能，面積為6.4 cm2，大約十元硬幣大小。在電池增益實驗中，以60 mW的LED燈做為輸出端持續放電，可明顯看出裝有光驅動電池及升壓轉換模組的情況下，讓原本只有34分鐘發電時長的LED燈運作了將近75分鐘，大大的增加LED燈的工作效能，而在電池完全放電後，染敏太陽電池及升壓轉換模組的輸出電壓是足夠供應LED燈持續發亮，並不會因為充電電池完全而熄滅。因此證明此一模組具有持續供電能力。應用此光驅動電池系統運作小型心電模組，以電腦接收心電模擬訊號，可看出升壓模組可輸出端可提供心電模組運作之能量。
本年度另一部分以光能為驗證平台，設計出特殊染料分子，能在太陽光與室內光底下進行光電能源轉換，得到最佳效率。在T5燈管提供弱光的光照情境下(6000 lx)，染料敏化太陽能電池 (dye-sensitized solar cell, DSSC) 的光電轉換效率可達22.91 %，其中JSC = 0.883 mA cm−2，VOC = 0.646 V，FF = 0.749，功率輸出為426 μW cm−2。欲使此一低電壓系統產生電能，我們設計了電路並應用低功耗IC，能將此一低電壓能源，轉換成一般電池所使用3.3 V能源，並進行電路應用。在農牧場裡畜養動物的健康狀況是相當重要的，我們以此一能源，結合心律感測元件與無線傳輸系統，能完整偵測牧場中動物的心律狀態。目前完成心律感測展示。經過連結染敏電池，使用時間可以延長約一倍。本年度完成心律感測展示，且另外在電動傳輸材料 (hole-transporting material, HTM) 的開發上，我們也合成出Y2以作為鈣鈦礦太陽能電池 (perovskite solar cell, PSC) 的電動傳輸層，在一個太陽光下光電轉換效率可達16.60%，與目前普遍被使用作為電動傳輸材料的spiro-OMeTAD之光電轉換效率18.03%已非常接近，另一個我們開發的分子WT3，其光電轉換效率為19.44%已經超越spiro-OMeTAD的光電轉換效率18.62%。
二、人才培育面向推動重點、成果與特色亮點
1.生機系吳靖宙教授指導參加旭泰論文獎獲得佳作。
2.機械系吳嘉哲教授指導學生成立吳昌翰「興腎力」團隊獲教育部U-start計畫補助。
3.機械系吳嘉哲教授指導學生吳昌翰、蔡昀佑、王炳昱獲得第13屆戰國策全國創新創業競賽佳作。
4.108年 2月19日2名研究生參加NRCT-IFS-PERCH-CIC研討會:東盟研究與創新計劃，並於研討會期間張貼海報。
三、學術研究面向推動重點、成果與特色亮點 四、產學合作面向推動重點、成果與特色亮點
三、學術研究面向推動重點、成果與特色亮點
1.開發新型紫質染料SK6與有機染料CW10共敏化應用於染敏太陽能電池的吸光層，此成果刊登於國際頂尖期刊(ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 2391−2399)。
2.在電動傳輸材料方面，也成功開發出Y2與紫質二具體材料(porphyrin dimer)WT3作為鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cell, PSC)的電動傳輸層，已超越目前普遍被使用作為電動傳輸材料的spiro-OMeTAD之光電轉換效率，此成果分別刊登於國際頂尖期刊(ACS Energy Lett. 2016, 1, 956−962)與(ACS Energy Lett. 2018, 3, 1620−1626)。
機械系吳嘉哲副教授以「新型可攜式水中重金屬檢測系統之開發」參加科技部工程司108年度先導開發型產學合作計畫機電能源領域成果發表暨績效考評會議，獲產學成果海報展示特優獎。此技術已經成功開發出可攜式水中重金屬檢測儀，藉由本計畫的研發，將建立拋棄式電化學金電極設計與製作技術、可攜式水中重金屬濃度檢測技術和無線水中重金屬檢測技術。初期國內許多工廠或商場檢測端都會需要安裝，是極具競爭力的新設計新產品。若能打入國外市場，更可提高合作廠商的營業額與獲利率，目前技術移轉合作廠商已經成功簽訂代理商和賣出數十台機台，後續訂單洽談中，後續技術更加成熟後，可開發各式產品，預估可增加年營業額新台幣3000萬元。
五、研究貢獻面向推動重點、成果與特色亮點
生機系吳靖宙以「智慧水產養殖監測與控制系統」參加科技部萌芽計畫，目前已通過phase 0審查，所開發的自動校正水質感測系統，可有效解決人工校正耗時費力的問題，將可提升智慧養殖的產值。
六、環境建置面推動重點、成果與特色亮點
在本研究中心的支持下在12月12-16日於本校惠蓀林場成功舉辦「2019 年化學─環境─生物醫學技術國際研討會(2019 International Symposium on Chemical-Environmental-Biomedical Technology, isCEBT2019)」跨領域研究與技術之國際農生環境相關會議，展現本校結合農、生、醫及工程技術研發之農生優勢特色，同時落實高等教育培育人才之職責。此次會議來自日本、越南、菲律賓、馬來西亞與印尼等國學者與學生160人參加，4位plenary speaker、15位keynote speaker、60位口頭報告與43位海報報告。
