創新科技從關懷出發 成大王駿發教授倡導橘色科技

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成大資訊系黃琮蔚在世界競賽奪冠 揚威國際 設計液珠繞線演算法，能提高數位微流體生物晶片效能，國外評審驚豔
（左）成大資訊系黃琮蔚的指導老師何宗易助理教授、（右）成大資訊系黃琮蔚

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(20100714 11:36:17)發展國際頂尖大學，國立成功大學師生同心努力卓然有成，不僅教授學術研究紛紛在國際嶄露頭角，學生更接二連三在各種國際競賽中締造佳績。該校資訊工程學系大四學生黃琮蔚，以『設計數位微流體生物晶片液珠繞線演算法（Droplet Routing Algorithms for Digital Microfluidic Biochips）』為題，於美國計算機學會（Association for Computing Machinery，簡稱ACM）所舉辦的「國際學生研究競賽（Student Research Competition，簡稱SRC)」，擊敗世界各國上百位好手，拿下第一名的佳績。台灣囝仔的傑出表現，不僅寫下人生的新紀錄，也讓國際人士刮目相看。

: ^0 p" o  E3 t, `9 }　黃琮蔚於今年六月中旬，前往美國加州阿那罕姆市(Anaheim)參加「國際學生研究競賽」，參賽者包括國際知名大學的博、碩士生，如伊利諾大學香檳分校（UIUC）、德州大學奧斯汀分校（UT Austin）、加州大學柏克萊分校（UC Berkeley）…等等。經過嚴謹的資料審查、海報展示、研究成果發表等過程，成大黃琮蔚技冠群雄，過關斬將，擊潰數百名位各國名校好手，一舉拿下第一名成績，更是獲獎學生中，唯一一位大學身分的學生。國際學生研究競賽主席、美國布朗大學Iris Bahar教授並在頒獎典禮中稱讚黃琮蔚是『從來沒有看過研究這麼厲害的大學生』。
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對於在國際競賽獲獎，黃琮蔚感到開心、興奮之餘，他把功勞歸功於指導老師成大資訊工程學系何宗易助理教授的教導。他說，「很感謝何宗易教授帶領我投入此研究領域，針對這次SRC，他不但提供我這競賽資訊，也一直在各個競賽關卡，給了我非常紮實的訓練以及指導方向，讓我能夠為成功大學、甚至於台灣，在國際舞台上爭取榮耀。感謝父母親給我的支持。日後我將繼續留在系上念研究所，也將繼續針對此晶片平台做更進一步的研究工作，希望有機會爭取更多榮耀。」
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6 f7 g, g. ?( Q- D' |; ^　黃琮蔚競賽作品『設計數位微流體生物晶片液珠繞線演算法』堪稱是目前全世界最新、最前端的科學研究，主要在探討如何在奈米尺度下的數位微流體生物晶片平台上，開發出有效的液珠微流體繞線系統，使其能夠精準無誤地完成所有生化反應，達成檢測最佳化的處理，提高微流體晶片檢測運作效能。
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1 |7 d+ x" o0 G2 s  @6 ~　黃琮蔚本次競賽作品主要生物晶片液珠繞線所面臨的三個棘手的問題，分別是可繞度的控制方法設計、交叉感染避免，以及生產成本控制，提出有效的解決方法，達到最佳化的目標。他利用三套數學演算模式，解決現有微流體晶片設計的缺失，達到生化反應零失敗、避免樣本(Sample)交叉感染(Cross Contamination)等問題，並且有效降低成本。

5 v( ^/ [" `9 Y4 {: U0 K　其中，可繞度的控制方法設計針對在微觀尺度下，如何自動的控制液珠移動，使其能夠完成各自的反應，而不會產生執行時間過久所引發出的問題；交叉感染避免則是針對許多生醫檢測晶片上，必須嚴加避免不同樣本之間的交叉感染，導致出錯誤的反應結果；而生產成本控制則藉由設計液珠繞線，使用最少的供電訊號來控制微流體晶片的訊號源數目，同時也能夠掌握正確的反應結果。
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針對三個解決方案的內容，在可繞度的控制方法設計的部分，黃琮蔚提出一個動態規劃 (Dynamic Programming) 為基礎的演算法，能夠使液珠執行生化反應完成度達到100% 的成功率；另外，針對臨床醫學反應或蛋白質檢測的微流體晶片，則利用網路流 (Network Flow) 的最佳化模型，考量不同樣本之間交叉感染的問題，使得所有反應均能夠正確無誤並在極短的時間內執行完畢；最後，運用整數線性規劃(Integer Linear Programming)的方法，改變晶片電路系統的設計，解決晶片製成過程中供電訊號源過多的問題，有效地減少晶片生產成本。

+ l' R) r" ]2 }, w　數位微流體生物晶片為一個微小化生化反應的新興科技，可應用於諸如環境檢測、生醫檢測、空氣品質檢測…等等。此晶片最大的優點在於微小化生化反應的樣本以減少反映成本，以及達到高感應度的反應；此外，全局的自動化控制使得執行反應更有效率、更不會有人為操作的誤差，是下一波新興生物晶片的主流，尤其在生醫及電子業，受到許多科學家及臨床醫療人員的青睞。

　自大二下開始便跟隨何宗易教授進入數位微流體生物晶片液珠繞線的研究領域的黃琮蔚，雖然年紀輕輕，卻已是許多國際學術會議學生論文發表的新秀，目前他針對微流體生物晶片液珠繞線相關問題已發表了三篇論文於國際會議上，分別於2009 IEEE International Conference on Computer Design (ICCD)，2009 ACM/IEEE International Conference on Computer-Aided Design (ICCAD)，以及2010 ACM International Symposium on Physical Design (ISPD) 會議上；其中ICCAD和ISPD分別為電子設計自動化（EDA）領域及實體設計 (Physical Design) 中最頂尖的會議。
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) P/ s' p& ^1 `2 d# q0 {　黃琮蔚也將這些研究成果投稿至電子設計自動化領域中最頂尖的期刊IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD) 上，並已獲得接受刊登的佳績，創下台灣最年輕學生發表論文在該頂尖期刊的紀錄。

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關於數位微流體生物晶片
　在微流體實驗室晶片的技術發展中，流體已經成功地微小化、數位化至奈米尺度，也就是所謂的液珠，而運作此液珠實行生化檢測的平台，又稱之為數位微流體生物晶片。實驗檢測上，液珠操控因具有反應體積小、可自由操控、不像傳統生物晶片所需要切換的閥門、幫浦等可動元件之優點，逐漸受到生醫相關領域研究人員的矚目。藉由微液珠系統可以把攜帶 DNA、蛋白質或檢測試劑等的微量液珠，經由數位流體系統的運輸、試劑混合、分子分離、液珠分散等過程，在晶片上完成生醫檢測或化學分析的工作，相當於把整個生化實驗室的功能建構在小尺寸單元中。其優點在於自動化整個檢體操作處理過程，不僅減少人力需求，更避免人體直接曝露於化學試劑下所造成的傷害。
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　生物晶片當前為學術單位重要的研究工具之一。在未來，除提供實驗室進行生物學與醫學的研究外，隨著技術的成熟與新知識的進展，在諸如新藥開發、醫檢辨識、疾病篩檢、病原檢測、環境檢驗、食品檢驗，乃至於國防軍事偵防等領域，都將是生物晶片發揮的舞台。
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美國計算機協會（Association for Computing Machinery，簡稱ACM）簡介
' r1 s/ C) R+ A; D　計算機協會（Association for Computing Machinery，簡稱ACM）是一個世界性的計算機從業員專業組織，創立於1947年，是世界上第一個科學性及教育性計算機學會。ACM每年都出版大量計算機科學的專門期刊，並就每項專業設有興趣小組。興趣小組每年亦會在全世界（但主要在美國）舉辦世界性講座及會談，以供各會員分享他們的研究成果。截止20世紀末，ACM在全球擁有75,000個以上的成員，包括遍及學術界、工業、研究和政府領域的學生和計算機專業人員。

9 g8 h$ q8 s& V! G訊息來源：成功大學

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成大資訊系黃琮蔚在世界競賽奪冠　揚威國際　設計液珠繞線演算法，能提高數位微流體生物晶片效能，國外評審驚豔

(20100715 15:48:25)發展國際頂尖大學，國立成功大學師生同心努力卓然有成，不僅教授學術研究紛紛在國際嶄露頭角，學生更接二連三在各種國際競賽中締造佳績。該校資訊工程學系大四學生黃琮蔚，以『設計數位微流體生物晶片液珠繞線演算法（Droplet Routing Algorithms for Digital Microfluidic Biochips）』為題，於美國計算機學會（Association for Computing Machinery，簡稱ACM）所舉辦的「國際學生研究競賽（Student Research Competition，簡稱SRC)」，擊敗世界各國上百位好手，拿下第一名的佳績。台灣囝仔的傑出表現，不僅寫下人生的新紀錄，也讓國際人士刮目相看。

訊息來源：成功大學

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圖說：成功大學機械系朱銘祥教授開發復健機器人
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(20100722 14:31:22)為中風病患復健之路開啟新路，國立成功大學機械系朱銘祥教授開發復健機器人，結合醫院物理治療專家的經驗，發展出上肢、下肢與多功能腳踝復健機器人等三組復健機器人，中風患者可在電腦系統的引導下，利用繪圖和遊戲等人機互動的方式，進行復健。目前三組復健機器人設置於成醫復健部，已有不少患者利用機器人接受復健，且復健療效顯著。
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0 g$ b( r( {+ w. y; ?值得一提的是，朱銘祥教授研究團隊，以腦機介面系統與復健機器人整合，技術領先國際，它透過患者控制腦波產生命令來控制復健機器人，藉由患者控制腦機介面系統而帶動肢體運動，此傳動過程有助受損中樞神經系統活化，加速患者復健進度。不僅如此，此系統將來可發展為智慧型家庭系統，達到病患自主控制的目標，對於中風患者而言能夠恢復自主性，並減少對患者人力照護的需要。

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復健機器人的開發者、成大機械系朱銘祥教授表示，目前我們已經發展出上肢(肩與肘關節)，下肢(髖與膝關節)與踝關節等共三組復健機器人。上肢機器人以坐姿帶動病患手臂作水平方向的運動，包括圓形、8字型、或斜線等軌跡；下肢機器人則以躺臥姿勢帶動患者之腳作抬腿及類似騎腳踏車等動作；而踝關節機器人係以坐姿帶動腳踝上下擺動。其中，上肢與踝關節機器人已經有大量病人參與復健療程，藉由臨床病人測試，已有顯著的療效，患者的接受度也逐漸增加。

7 o" b0 R/ B( F$ L. o' W此一相關的研究成果並已陸續在國內外相關的學術期刊發表，其中關於腦機介面的研究並獲選為Journal of Medical and Biological Engineering 期刊2009年年度最佳論文，且入選中國工程師學會2010年工程論文獎；另外，復健機器人相關研究也獲得2009年台灣生物力學學會口頭論文競賽ISB大獎。
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朱銘祥教授說明，傳統的物理復健療程中，通常由復健治療師帶動病人患側之關節，如肩、肘、或膝等關節作固定重複之動作，使其逐漸恢復正常之活動功能。但由於復健動作需要長期重複的實施，且需要依照病患的病程而調整復健的手法，例如關節活動之範圍、施力之力道等等，既耗時又耗力。復健機器人則完全沒有上述缺點。

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在傳統復健過程中，對於患者恢復程度之評估，通常需要復健師在帶動其關節活動時，仔細感覺所施加力道的微細變化。對於微小的差異可能無法明顯分辨變化，但使用復健機器人，復健師本身即使無法明顯感受到變化，也能根據機器人計算出的指標瞭解其中細微的改變，這是使用復健機器人進行復健的優點之一，除了能設定機器人用固定、準確的力道施力，亦能在機器人上裝設感測器，測量療程中各關節力量之變化，然後立即進行科學評估。

' X, }6 T+ @9 G5 X6 |3 T4 H& a( y; L$ D成大醫院復健部程琡敏醫師表示，腦中風名列我國十大死因第三位，會造成病患語言、智力、肢體的障礙，傳統上以治療師ㄧ對一以徒手治療的方式來做運動治療，這些都具有高重複性。在現代科技發展之下，利用機器人代替這些重複性，則能減輕治療師的勞動能力，並且可以增加多樣性、個別化及趣味性等運動活動，來達到運動治療的目的。
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) y+ g* v  h! S/ n- k朱銘祥教授的研究室從1999年開始發展復健機器人，至今已經做了10年，先是三年國科會計畫建構肩肘機器人和人體測試，接著與成醫神經科林宙晴醫師和復健部程琡敏醫師合作，進行臨床實驗。最近三年參與張文昌院士主持之經濟部學界科專，且請林宙晴醫師擔任分項主持人以進行大量臨床實驗。除了復健機器人的開發臻於成熟，該研究團隊目前也嘗試利用腦波來控制復健機器人。與林宙晴醫師的合作，乃在於分析建立腦波訊息中mu波之即時運算，希望同時整合腦機介面與義肢或復健機器人，由患者自主產生想像動作的意念，經由腦機介面分析腦波後產生命令，控制下肢復建機器人的動作。
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  h' [+ z8 m7 k& E成大醫院神經科林宙晴醫師表示，腦機介面之原理，是藉由測量腦波訊號後輸入電腦，經過程式計算，用來判斷大腦是否產生想像動作意念，然後由電腦輸出相對應之控制命令。與復健機器人結合之目的在於幫助因神經或肌肉系統損傷而行動受到阻礙之患者(如肌肉萎縮、中樞神經系統損傷、重度中風的病人等)，使其可以不需依靠自身肢體的動作，能夠藉由腦部的訊號，就能達到與外界溝通、傳達訊息、自主行動，以及自我照顧等目的。此系統若發展成功，將來可發展為智慧型家庭系統，不管將來在相關領域的研究或商業價值都具有十分大的潛力。

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上肢復健機器人
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　目前已經有一名中風患者經過約一個月的訓練，可以藉由本身的意念控制復建機器人然後做出抬腳與踩自行車的動作，這項成果有很重大的意義，因為中風病患本身的自主動作控制有困難，所以藉由外在人為的系統(腦機介面與機器人)輔助其原本的大腦至肢體肌肉的傳動途徑。倘若患者可以成功的控制人為的系統而帶動肢體運動，這外在的傳動過程可以反過來加強原本受損中樞神經系統活化，可加速其復原的進度。

0 p3 }3 ]# |  V: J* _, D/ u　林宙晴醫師也說，腦機介面與復健機器人的結合尚有一些挑戰必須突破，由於腦波非常微弱，且十分容易受到周遭環境干擾，目前研究群正努力提升與改善此系統，使其更穩定與安全，讓更多的病人能易於接受訓練。

" `+ G, t. J3 [8 }, w　成大復健機器人研究團隊乃結合工學院與成醫跨領域合作，成員包括機械工程系朱銘祥教授、成大醫院復健部程琡敏醫師、成大醫院神經科林宙晴醫師、醫學工程所陳家進教授、資訊工程系孫永年教授與工業設計系謝孟達教授。以及研究生陳志瑋、龔品誠、陳秋旺、林棟煌、潘柏瑋、馬仕安、高聖涵、楊竣淵、呂俊霆等。
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訊息來源：成功大學