█ 國際科展指導得獎作品介紹：魚能發電的開發與應用
文、圖◎黃育熙教授
～淺談指導陳懷璞於2019臺灣國際科展工程學科一等獎&美國科展工程力學二等獎得獎心路歷程
2018年初夏，我將至臺大機械服務前三個月，接到了來自懷璞的來信：「黃教授您好：我是陳懷璞，就讀於基隆市立安樂高級中學數理實驗班一年級，獲選107年「青少年科學人才培育計畫」工程學科的學員，研究的主題是“魚能發電之開發及應用”，利用魚的游動速度使軟性壓電膜(PVDF)發電，作為魚類追蹤器的電力需求，替代電池並延長追蹤器的時間，了解魚種更完整的洄游路徑，幫助復育。……（以下省略）」，引起了我的興趣，剛好我在半年前才提出這個研究概念的科技部計畫，在這個恰巧的時機，從該生欲進行的主題上看到了應用方向。而且，懷璞的來信對於問題的描述相當清楚，跟我過去指導過的高中科展生有截然不同的研究態度，馬上引起了我的興趣。簡單地回信相約之後，懷璞與其父親陳俊宇博士來到我辦公室會談，確定一起進行爾後的研究主題。
當時，我與馬來西亞研究學者在壓電振動能量擷取的研究主題上的合作，正開始進行流體造成壓電元件擺盪產生振動的研究。馬國學者從我提供的壓電分析條件進行計算流體力學分析(computational fluid dynamics，CFD)並共同有相關的期刊發表[1]，初步已獲得流體流速與固體結構共振可獲得最佳發電效率的關係。正當我提出計畫，欲進行更進一步以不同壓電元件造成的共振頻率於流體致振的發電效率探討，懷璞也基於他對海洋科學的興趣，將我的基礎研究問題可進一步地拓展到魚類科學，我也從中獲得了不少跨領域科學融會的學習知識，但我從本次科展指導經驗中最難能可貴的收穫，是像懷璞這樣的年輕學子對於自己喜愛的海洋科學的研究熱情與追求動機，以及事事嘗試不怕困難與失敗的積極表現。
懷璞在國立臺灣科學教育館的主導規劃與培訓下，獲選為代表臺灣的13名學生、10件作品，參加美國國際科展，與82個國家、1842位學生、1454件作品同場競技，獲得工程力學學科的二等獎實屬不易，而他的動機來自於從小隨船出海後即愛上了海洋，並在浮潛時觀察魚類的快速游動而想出了魚類的動能應用。我最初研究壓電共振產生最佳發電效率的流速需達約80km/hr[1]，我本以為是個不切實際的條件，所以欲以不同壓電結構降頻以達到降速效果，反倒在懷璞科展的研究主題上，可應用於大洋流中的稀有大型迴流魚種可達如此的游速，若成功開發應用於魚類追蹤器取代原有電源(註1)將有助於魚類科學的資料蒐集[2]。
本著原本即已指導研究生進行壓電材料振動特性結合CFD的分析[3]可直接傳授懷璞一些分析的方法，懷璞發揮研究精神至極致，除另尋流體模擬專家曾永信博士指導分析，對於不同鈍體（球形、鈍角至銳角三角型等）於不同流速流體致振的影響之外，還加上了延伸尾翼、擺盪質量、可動尾翼等不同設計希望能加強效果，並且發揮自造者(Maker)的精神自行以3D列印上述機構結合壓電元件如圖1所示，也建造文式管(Venturi tube)製作小型加速水洞裝置，讓我嘆為觀止。除此之外懷璞也自己付出諸多努力找尋周邊相關資源的協助，尋求海大的關白宸教授協助於迴流水槽進行難得的實驗數據擷取，如圖2所示，也感謝臺大工科海洋所吳文中教授也無私地提供無線能量擷取模組，以及在海科館施彤煒主任、臺灣魚類標識放流研究專家江偉全博士等，在魚類的標籤安裝測試上都給予極大的支持與協助，懷璞與其父親陳博士甚至還遠從基隆專門到達鹿港水產試驗所進行魚類實驗，還發生陳博士結石掛急診的小插曲，最終仍完成測試，我十分佩服懷璞完成研究的熱情與毅力。
當然，以上的過程並非一帆風順，有許多修正、重試與突破，光是壓電元件就由原來的壓電薄膜改為壓電纖維後，最終使用發電量較大的壓電雙晶片，且需於固定應力集中結構處塗覆RTV彈性膠，而文式管與流體實驗於水下測試流速與發電效果，也是經過多次反覆修正實驗條件才呈現出最佳設計的成果，這一切我也敬佩陳博士對懷璞的培養。懷璞自幼就參與教會的翻譯活動，並也受到鼓勵曾募資欲實現自己的夢想。就讀體育班鍛鍊了堅毅的體魄與性格，獲獎的此年度也不安於現狀地想要參加國際研討會來開拓自我的視野。懷璞獨立思考的能力也讓他在美國科展中一鳴驚人，提出海底物聯網的概念，破壞式創新的思考模式有別於一般工程開發的概念，值得作為莘莘學子的典範。 
參考資料：
[1] Wei Ken Chin, Zhi Chao Ong, Keen Kuan Kong, Shin Yee Khoo, Yu-Hsi Huang, Wen Tong Chong, “Enhancement of Energy Harvesting Performance by a Coupled Bluff Splitter Body and PVEH Plate through Vortex Induced Vibration near Resonance”, Applied Sciences, vol. 7, 921, 2017. (SCI/EI)
[2] Huai-Pu Chen, “The Development and Application of Harvesting Kinetic Energy from Marine Fish”, Second Prize Poster from International Science and Engineering Fair 2019 (ISEF), Engineering Mechanics, Phoenix, US.
[3] 莊沅隴，壓電纖維之振動特性與應用於流體致振之評估，國立臺灣科技大學，機械工程研究所，碩士論文(107.7)
[4] Michael W Shafer, et al., “Testing of vibrational energy harvesting on flying birds”, Proc of ASME Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems, Sept 16 18 Snowbird, UT, No 3063 2013.
[5] Huidong Li, Chuan Tian, Jun Lu, Mitchell J. Myjak, Jayson J. Martinez, Richard S. Brown and Zhiqun Daniel Deng, “An Energy Harvesting Underwater Acoustic Transmitter for Aquatic Animals,” Scientific Reports, DOI 10 1038 /srep 33804 2016.
[6] Xinyu An, Baowei Song, and Congcong Ma, “Design and CFD Simulations of a Vortex-Induced Piezoelectric Energy Converter for Underwater Environment,” Renew Sustain Energy, 70 193 214 2017.
█ 圖1、魚能發電之壓電能量擷取元件上視圖（上）、側視圖（中）、流體分析致振成效（右）與應用於魚類拖行標籤使用（下）[3]
█ 圖2、2018年8月前往魚能發電使用的迴流水槽進行實驗留影
█ 圖3、懷璞與我的獲獎合影
註1：商用的魚類追蹤標籤單次發報訊號約為23mw，魚能發電之壓電電能約為80μW但不會耗盡。
█ 註1補充說明圖形：商用魚類標籤電池電源與魚能發電電源長效時間適用性比較[3]
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