本系新進老師--楊鏡堂教授簡介

  楊鏡堂博士1983年8月畢業於University of Wisconsin-Madison機械工程學系能源組,1983年~2008年任教於國立清華大學動力機械工程學系,2008年8月起在國立台灣大學機械工程學系擔任教學與研究工作。因應國內之能源與資源環境,研究的主題由早年之煤燃燒、內燃引擎燃燒性能、凝態燃料燃燒之數值與實驗分析,逐漸轉換為固態衝壓火箭(SFRJ)引燃與火焰傳播、噴射機後燃室(A/B)穩焰器之基礎研究與專利開發,主題都發展出創新的想法與具體成果,也都引起國際學者之肯定與重視。2000年以來除了燃燒能源主題,也開始發展微型動力元件之設計與製程,研發領域逐漸由鉅觀工程應用導向轉趨結合學術與設計之創新探索創新探索及微尺度熱流動力系統,也更重視研發團隊之群組與跨領域整合研究的必要性。2004年起開始參與全國能源政策與能源科技發展之規劃管考事務,2005年擔任全國能源會議引言人,2007年8月接任行政院能源政策與科技指導小組之能源計畫辦公室主任,工作內容涵蓋全國能源計畫盤點、行政院2007年產業科技策略會議、行政院能源科技發展草案、國家型能源科技計畫規劃草案等工作,目前正參與分析溫室氣體排放模型、推動CO2減量措施、研究能源科技研發藍圖等。在台灣大學機械工程學系之研究以熱流為主軸之跨領域研發,概分為能源與動力系統、奈微流體系統與生醫實驗室晶片系統及元件、生物力學與仿生工程研究三大領域。

  2000年以前專注於化石燃料燃燒系統之組件研發,曾獲中國機械工程學會89年度傑出工程教授獎,國科會傑出研究獎,2000年系主任下任以後,除了延續燃燒能源主題,開始調整方向,增加奈微機電系統之研發與仿生動力機械暨生物力學,自2002起召集三個主題(奈微機電、微尺度生醫工程、仿生動力機械)之研究團隊共同探索新議題,本年度主持兩個學門整合型計畫及一個前瞻優質生活跨領域計畫,團隊成員來自清大動機、奈微系統、生科、物理,陽明醫學、成大醫學、台大、成大、中大、逢甲、台科大、北科大,夥伴合作無間,相處融洽,定期聚會討論研發理念與進度,至今成效極佳。2007/05清華大學所系評鑑時,三位國外評鑑委員公開評估目前生物力學、仿生動力機械、DNA/生化分子自組裝晶片進展與成果都有
“world-class”的架勢。

  近十餘年來研發之成果兼具學術(論文)與工程價值(專利/技轉),最近執行國科會整合型計畫成果有兩項被學門評選為成功案例,一項選入Foresight Taiwan (學術里程與科技前瞻成果)。也曾榮獲96年度國家新創獎,中國工程師學會96年度傑出工程教授獎等等,最近兩年在清大學術卓越獎助費之激勵性薪級制度連續獲得推薦為(講座教授除外)前4%評等。培育之研究生也屢獲榮譽 (研究生獲國際及國內學術榮譽70項,其中1項國際金牌、1項國際期刊論文獎、10項全國第一、5項全國第二),2000~2007指導學生榮獲之全國性學術比賽獎狀30項、全校/全院性比賽獎狀17項。最近之榮譽為OC-Micromixer論文被選為JMM 2006 精選論文(2006 Highlights共選25篇)。研究三大領域簡介如下

(一) 能源與動力系統

  動力來自於能源的產生,能源問題與環境保護被視為人類在未來五十年中最重要及最需解決的挑戰,尋求新能源及替代能源為中長期的策略,而短期因應之道為節能技術之開發,『能源與燃燒』乃是本研究團隊相當重視之領域,近年主題聚焦於高效能衝擊燃燒器之設計理論、低污染之節能燃燒器設計及再生能源生質能之開發與應用。衝擊流場燃燒器乃是本研究團隊投入相當多的人力與時間,利用衝擊流場效應提升燃料與空氣之混合,並因燃燒器特殊之設計能夠充分發揮預熱效應,提高燃燒效率並大幅擴展燃燒器之穩定操作範圍。並將衝擊流場中火焰交互作用之觀念延伸,而有了濃淡燃料燃燒器之設計理念,利用多環燃燒器之幾何設計,可調配出最佳的燃料濃度組合,從本研究團隊的數值模擬及實驗量測結果可發現其對於節能之效益及降低污染物之排放均有卓越貢獻。在流場可視化技術及速度場量測方面,本實驗室也有重大突破成功發展出適用於一般流場或化學反應流場中之粒子影像測速儀技術(PIV),在空間解析度為1280×1024 pixels時,每秒可擷取1000張影像進行速度場分析,對於解析流場結構將可提供更充分之資訊。


衝壓引擎流場可視化


固態燃料衝壓引擎之引燃


(a) 衝擊燃燒器之火焰型態、(b) 衝擊燃燒器流場渦度分佈圖、
(c) 多環燃燒器流場可視化、(d) 3種不同尺寸之多環燃燒器


多環燃燒器火焰照片及粒子影像測速儀量測平台


(二) 奈微流體系統與生醫實驗室晶片


  微流體系統(microfluidics)的研究近年來逐漸演化出有別於傳統矽基微機電系統的新風貌,從沒沒無聞的角色轉變成為主流,其應用由生化領域迅速擴散至各領域之中,其衍伸的產物便是微全分析系統(-TAS)的具體化。微全分析系統最早是由Manz et al. (1990)所提出來的,主要是為了簡化分析化學家的工作,將微小化和自動化加入分析化學的程序中,縮短樣品處理的時間與用量花費,隨後在1990年代中期,快速的擴展至化工、生化與光機電領域上。根據Mounier et al. (2003)的市場調查報告指出,微流體晶片市場在2005年,市場值達20億美金。因此,微流體系統的研究儼然成為近代的主流核心,並吸引國內外學者的相繼投入。

  本研究團隊中主要是以微混合元件與微生化反應器的設計、開發、分析與應用以及微液珠傳輸元件的開發、理論分析、數值模擬當作研究核心,目前正與成大醫學、台大機械、清大生科與交大機械合作開發創新之微流體元件及生化微流體分析系統。楊教授的研究團隊2002年以來順利結合微熱流與微機電製程與設計理念,獲得一系列奈微機電系統之跨領域整合型計畫的補助如「奈米粒子及生化分子自組裝製作可控親疏水性介面晶片」,最近又獲得「DNA檢測微全分析系統研發之整合型計畫」的補助。目前具體的貢獻於微型噴嘴、微流體混合器、微流體振盪器、微型電潤濕平台、奈微結構表面之液珠驅動系統、微生化流體分離裝置等設計、製造與檢測,茲分為二類概述如後。

(一)、液珠之驅動與操控暨其工程設計應用 (利用表面能量轉換驅動暨操控微液珠)

  利用微機電製程製作textured surface使得表面具有特定紋路微結構,藉由改變紋路分佈的梯度可以用來傳輸液滴,並提高表面之疏水性,如此一來則可對微流體進行輸送,不需外加動力即可自發性進行微液滴傳輸,此一技術是個相當值得期待的新興技術。應用上有可製作微液滴驅動及自動定位,可當作流體的閥門裝置與篩選分離設計。目前我們的研究團隊正結合本發明與其他數種發明,全力發展奈升級蛋白質與胺基酸全分析系統[國科會奈微機電系統前瞻重點整合型計畫]。本研究主題榮獲許多項大獎(包含兩項2004上銀科技碩士論文獎, 2005全國力學會議第九屆學生論文競賽熱流能源組第二名,2005航太會議學生論文比賽第一名, 2006中國航太學會學術研討會學生論文競賽第一名, 2006全國力學會議第十屆學生論文競賽熱流能源組第二名,中國機械工程學會96年度博士論文獎第一名, 2007年國家新創獎)。


(二)、微尺度混合器之設計製作與分析

  本研究團隊在微流體混合元件的開發,除了發展應用於生醫檢測、化工合成的微流體混合,也在研發過程中獲得許多創新製程技術、混合元件之發明專利、測量技術以及微流體相關的前瞻研究。所研發之混合裝置包含:渦漩調控微混合器、交叉重疊微混合器、微流體震盪混合元件以及連續溝槽微混合器等,各具獨特之創意,已取得超過十件中華民國與美國專利。本專題過去兩年來已榮獲多項大獎(包含兩次全國力學會議學生論文獎第二名,兩次航太會議學生論文比賽第一名,一項CSME博士論文獎第一名,多項碩士論文獎佳作,2006 JMM Highlights, 2006 J. Mechanics期刊論文獎第一名)。目前正與一位博士候選人、三位博士生與四位碩士生共同設法拓展深度,也尋求生科教授合作應用至生物領域,期望半年內繼續突破設計概念與實驗分析之多項瓶頸,當然更希望得到協助,技轉專利於生化科技公司。



仿生動力機械與生物力學

  人類以獨特的思維功能,從大自然中擷取某些生物的外觀、內部構造、習性、生存方式等啟示,發展出新的工程理念,為自己的生存和發展換取生活空間,針對這種概念與工程結合,學者創造出一個新的名詞「仿生學(biomimetics)」。簡單來說,就是研究生物系統的結構和性質來為工程技術提供新的設計思想及工作原理。不過由於生物系統的複雜性,釐清某種生物系統的機制需要相當長的研究時間與心力,並且要運用在實際的日常生活中更是有一段長遠的路,但是仿生學還是使工程的出路更為開闊、更充滿挑戰性。
本實驗室目前進行一系列的仿生研究,包括:昆蟲、鳥類之空中撲翼飛行、魚類之水中游動推進、以及蓮葉表面效應。


血鸚鵡魚之游動推進


流場萃取方法結合拓樸學以歸納游動流場之模式