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
一、子計畫推動重點、成果與特色亮點
- 本核心計畫目標在開發牧場廢棄物監控系統，然而現有常見的量測設備較為龐大且昂貴、需要專業的檢測人員和需要克服牧場廢水雜質較多的量測條件等。台灣地窄人稠，天然資源有限，環境保護一直是一個重要的議題。牧場廢棄物含有大量的廢水和固形物，如何有效的處理牧場廢棄物以達到符合環境友善要求的標準，是本計畫未來努力達成的目標。牧場廢棄物包含液態和固態廢棄物，若能將所產生的廢棄物就地處理，將可以大大的降低對環境的汙染。以牧場為例，畜隻排泄的糞便、尿液和清洗的廢水會先進入固液分離室。固液分離以後，液體廢棄物將進入厭氧發酵槽進行曝氣處理。若能有效建立廢水的pH值、溶氧量、導電度和固體懸浮物等指標，將可以建立廢水處理時序和檢測物時序的關係，建立一套智慧化廢水處理機制。
- 生機系吳靖宙教授：目前市售的水質感測器在長期量測的時候會有電極老化、表面汙染等問題，導致每次量測前都需要人工校正，無法做到準確的感測與監控。本研究以水質導電度感測器為例，提出具自動校正之導電度感測裝置，此裝置結合Arduino、Analog Device 的AD5933模組與自製電路，以及50 μm與100 μm間距的二極式交指狀金薄膜導電度量測電極晶片。並且對該導電度晶片做汙水長期浸泡量測實驗，觀察電極表面被汙染的情形，結果驗證對導電度量測電極晶片做定期的清洗及校正，其量測準確率在30天內的誤差皆可小於5%。本研究的導電度感測裝置電路，可以用於未來的攜帶型阻抗分析裝置的開發，有助於生物感測晶片或其他化學感測晶片進入實用化階段。
- 機械系吳嘉哲教授：本計畫今年度開發固體懸浮物的現場量測系統，也整合固體懸浮物感測器與無線傳輸系統，將量測到的訊號傳輸到機邊電腦以作為後續處理。
- 電機系溫志煜教授與蔡曉萍教授－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。此外，系統亦導入遠距離LoRa無線通訊模組並感測器進行整合，將量測資料透過收集與整合，銜接於網路伺服器系統，用以協助整體系統處理與判別之應用，且已經透過實務實機整合與測試，完成初階化應用系統架構。
- 化學系葉鎮宇教授：自2011年本實驗室成功在Science發表的紫質光敏化劑YD2-o-C8其光電轉化率突破了12%，其中的關鍵正是染料中的長碳鏈所形成的柵欄阻擋了反向電流的生成。由於再生能源在未來日益重要更首創將紫質染料中的長碳鏈數目增加至兩倍，形成「雙柵欄」結構，在元件組裝相同條件下發電效率比之前的高效率「YD」 系列染料提升11.9%，證明其創新的「雙柵欄」 結構能有效提升染料敏化太陽能電池發電效率，顯示「bJS」 系列紫質染料的巨大潛力。
- 生機系吳靖宙教授－110年度計畫人才培育
參與學生人數2人，110年共培育碩士4人，延攬印度籍博士後研究學者1名，所指導的碩士班學生以「快速檢測磷酸根之離子選擇性感測晶片」為題目獲得科技部「2021未來科技獎」。指導的博士班學生莊育陞參加2021年International Conference on Smart Sensors (ICSS) 『Antibody-Free Impedimetric sensors for the Rapid Detection of Foodborne Bacteria with immunomagnetic beads』榮獲Distinguished Award、 指導碩士班干芳偉同學以『Lable-Free Protein Detection by Using A Three-Electrode Copper Phosphate Deposited Chip and Molecular Weight Cut-Off Filters for Disease Diagnosisof Periparturient Cows』 參加2021年TSME2021榮獲大會最佳口頭報告獎。
- 機械系吳嘉哲教授－110年度計畫人才培育
參與學生人數2人，110年培育碩士1人和博士1人。藉由計畫的執行，可整合各領域的專業技術，使得參與之工作人員，同時具備牧場廢水檢測技術、可攜式系統和無線傳輸系統等技術。藉由感測技術與物聯網技術整合，協助設計出符合環境檢測所需要的關鍵系統，透過本計畫可培養出具有整合能力的人員，協助未來台灣產業的開發與推動，成為跨領域產業間彼此溝通的橋梁。
- 電機系溫志煜教授、電機系蔡曉萍教授－110年度計畫人才培育
參與計劃學生人數7人 ，110年共培育碩士共計7人。 協助執行教育部『高教深耕計畫-落實教學創新』，開設『物聯網架構與設計』課程。
- 光電所裴靜偉教授－110年度計畫人才培育
參與學生人數2人，110年共培育碩士，博士共計2人，延攬國際學者1名，光電所裴靜偉教授教授參與並共同指導「嵌入式光學雷達與AI辨識之智慧車燈於自動駕駛」團隊，參加科技部主辦「2021未來科技展」競賽，在數百隊提案隊伍中脫穎而出，榮獲未來科技獎的佳績。
(二)學術研究面向
- 生機系吳靖宙教授在110年度獲得獎項包括科技部「2021未來科技獎」與台灣化學感測器協會「學術傑出獎」。指導的博士班學生莊育陞參加2021年International Conference on Smart Sensors (ICSS) 『Antibody-Free Impedimetric sensors for the Rapid Detection of Foodborne Bacteria with immunomagnetic beads』榮獲Distinguished Award、 指導碩士班干芳偉同學以『Lable-Free Protein Detection by Using A Three-Electrode Copper Phosphate Deposited Chip and Molecular Weight Cut-Off Filters for Disease Diagnosisof Periparturient Cows』 參加2021年TSME2021榮獲大會最佳口頭報告獎。
- 動物排泄的糞便、尿液和清洗的廢水會先進入固液分離室。固液分離以後，液體廢棄物將進入厭氧發酵槽進行曝氣處理。若能有效建立廢水的pH值、溶氧量、導電度和固體懸浮物等指標，將可以建立廢水處理時序和檢測物時序的關係，建立一套智慧化廢水處理機制，該設計導電度感測裝置電路，可以用於未來的攜帶型阻抗分析裝置的開發，有助於生物感測晶片或其他化學感測晶片進入實用化階段。此外，系統亦導入遠距離LoRa無線通訊模組並感測器進行整合，將量測資料透過收集與整合，銜接於網路伺服器系統，用以協助整體系統處理與判別之應用，且已經透過實務實機整合與測試，完成初階化應用系統架構。
自動校正監測系統實體圖
- 葉鎮宇教授自成功在Science發表的紫質光敏化劑YD2-o-C8其光電轉化率突破了12%，其中的關鍵正是染料中的長碳鏈所形成的柵欄阻擋了反向電流的生成。由於再生能源在未來日益重要更首創將紫質染料中的長碳鏈數目增加至兩倍，形成「雙柵欄」結構，在元件組裝相同條件下發電效率比之前的高效率「YD」系列染料提升11.9%，證明其創新的「雙柵欄」 結構能有效提升染料敏化太陽能電池發電效率，顯示「bJS」系列紫質染料的巨大潛力。此成果報導於Angewandte Chemie-International Edition (IF: 15.336, Rank: 8%)，2021, 60, 4886–4893。《論文連結》
- 葉鎮宇教授，近年來，混合鈣鈦礦型太陽電池(PSC)因其成本低、製作簡單、光電轉換效率高等優點而備受關注。然而，溶液處理的鈣鈦礦薄膜通常表現出嚴重的結構紊亂，導致晶格和晶界表面的離子缺陷。在此，我們開發了一系列編碼為CS0、CS1和CS2的D-π-A型紫質，它們可以有效鈍化鈣鈦礦表面，增加VOC和FF，減少滯後效應，提高功率轉換效率，使其高於22%，並提高器件穩定性。本研究結果表明，供體-π-受體型紫質衍生物是一種很有前途的鈍化劑，可以改善PSCs的電池性能。此成果報導於Separation and Purification Technology (IF: 18.808, Rank: 4%)，2021, 31(7), no.2007762。《論文連結》
(三)產學合作面向
- 生機系吳靖宙教授團隊研發之免疫感測器製作技術，具有可在金電極介面方向性固定抗體，成功與晶光科技股份有限公司進行know-how「免標定式阻抗型免疫生物感測器」技術移轉，授權金金額為75萬元。結合免疫感測晶片與電動流體控制的技術，則成功與金鴻醫材科技股份有限公司進行know-how「結合交流電動流體控制與金電極製作免標定式電化學阻抗免疫生物感測晶片之技術」技術移轉、專利「整合流體擾動之電化學生物親和性感測晶片及其操作方法」及專利「整合型生物感測晶片系統」，授權金金額為150萬元。並擔任金鴻醫材科技股份有限公司的科學顧問。目前正跟普生生技與金鴻醫材公司共同申請經濟部工業局產業高值計畫，總預算為5000萬，預計兩年後將相關技術開發成可快速篩檢之免疫感測晶片產品。
- 光電所裴靜偉教授團隊研發之光達系統，具有體積小、模組化的特性，成功與合盈光電股份有限公司進行產學合作，先期技轉金轉金額為120萬元。
- 生機系吳靖宙教授接受印度Nano and Molecular Society (India)邀請舉辦Webinar，題目為Electrochemical Biosensing Chip in Bio-Industrial Applications, 2021/08/02。
- 生機系吳靖宙教授與USA Naval Medical Research Center共同研提USA Interservice Restoral Program FY23-FY24，proposal已獲得通過，並在10/27完成full program研提，若通過，將在2021年10月開始執行該國際合作計畫。
生機系吳靖宙教授提出中華民國發明專利申請「整合分離式電化學電極之微流體檢測晶片」，可利用微流體輸送提升免疫感測器的檢測效率，能在5分鐘內達到各式免疫檢測的目的，對發展照護點(point-of-care)檢測具有貢獻。
(六)環境建置面向 生機系吳靖宙教授使用中心設備費補助開發之自動校正量測系統已完成建置，將整合本實驗室先前的原位水質感測器校正技術與pH感測探棒、溶氧感測探棒，進行溪心壩試驗場域中液態畜產廢棄物的汙水處理池中最後一道汙水靜置排放槽內的水質檢定，可藉由太陽能電板進行儀器設備的自主供電，未來該技術可輸出可環境河川水質監控、工業廢水水質監控與水產養殖水質監控廠商。
- 生機系吳靖宙教授：將水質感測器、感測器校正機構、訊號讀取裝置與遠端傳輸與控制系統整合好後，若能從不同的實際場域測試出系統問題，加以改善，則可跟國內從事環境連續式水質監測系統廠商或是水產養殖監控系統設備商進行技轉或是合作開發終端產品。
- 機械系吳嘉哲教授：
(1)監控牧場廢水的固體懸浮物濃度，將感測裝置的硬體和軟體建置於牧場內，利用LoRa裝置傳輸量測到的訊號到機邊電腦上，利用一系統長時間監控固體懸浮物的濃度。
(2)建立固體懸浮物濃度感測器長時監測系統，藉由技術的發展將增加量測的準確度，未來將有助於我國新農業政策推動智慧飼養之永續目標。
(2)建立固體懸浮物濃度感測器長時監測系統，藉由技術的發展將增加量測的準確度，未來將有助於我國新農業政策推動智慧飼養之永續目標。
- 電機系溫志煜教授、電機系蔡曉萍教授:低功率無線傳輸與系統整合
透過完成本地端伺服器資訊收集功能，並連結系統雲端伺服器，以及資料庫測試系統整合，將可做為物聯網資料傳輸與接收系統設計的參考。同時，以AI機器學習方法建立異常監控模型，可運用於異常警示系統應用之實作；進一步控制自走車載具趨近異常狀況，進行之更嚴密的監控和偵測；透過系統的整合測試，亦可為監視系統與機器人應用之參考。
三、成果影音
2021未來科技獎 | 快速檢測磷酸根晶片【農資學院申雍教授、吳靖宙特聘教授、賴鴻裕教授】
興大農資學院申雍教授、賴鴻裕教授與吳靖宙教授團隊的「快速檢測磷酸根之離子選擇性感測晶片」，獲得科技部主辦的第五屆「未來科技獎」，該研究成果可以快速檢測農地土壤現況，提供農友正確的農地管理策略，例如施肥量是否正確、農藥是否過量，而不再是憑農友傳承的經驗來「望(生長情形)、聞(味道)、切(農作物)、問(經驗法則)」，也能有效配合其它智慧農業措施，減少土地負擔。
吳靖宙、申雍、賴鴻裕教授團隊
