我的研究－創意性機構設計

我的教學專長為有關機械如何產生必要運動的機構學(Mechanisms) ，研究專長則為機構設計(Mechanism design) ，例如飛機起落架、車輛變速器、工具機自動換刀裝置等的設計。打從早年進入大學後，即以機構設計為重點研習的方向;其後出國攻讀碩士與博士學位，亦以機構設計為主修; 1980年返國後迄今，無論是在教學、研究、或是工業服務上，亦皆以機構設計為主，尤其是「創意性機構設計」(Creative mechanism design) 。本文說明多年來有關創意性機構設計研究的緣起、內容、歷程、及成果。

緣起
1978 年元月到Purdue University.(West Lafayette,Indiana, USA) 攻讀博士學位時，指導教授Allen S. Hall, Jr. 博士即指定論文主題，周遭師友皆善意提醒該題目的難度頗高，但我毫不猶豫且決心要以至少五年的時間來解題，因此在讀書計畫表填上修讀十四門課(規定只要七門) ，想不到一年半後即完成論文主體，通過口試後因為課尚未修完無法立即畢業，卻也因而有時間好好思考返台後的研究方向。
當時對研究工作的認識仍然生澀，對國內的學術環境也不了解，只是直覺地認為研究主題最好其備下列特性:有興趣、符合專長、可隨時研究、可不須經費、可不須設備、有學術原創貢獻、亦有工程應用價值。1979年底學位論文交稿後，查遍機構學領域的學術論文，發現有關機構概念設計議題的資料最難找、方向最模糊、投入者最少、研究難度也相當高，但卻是決定機械產品創新性的根本，是設計機構與機器過程中最富創意、最難了解的一環，同時又符合上述七項特性；因此， 1980年春決定以「創意性機構設計」為日後的研究主題。

內容
機構設計之內容主要在於產生或選擇特定的機構類型、決定桿件數目與接頭型式的關係、以及得到桿件之接頭間的幾何形狀，來達到預期的拘束運動。構想設計是機構設計過程中的最具挑戰性的階段，設計者必須創造新機構或者改善概有構想，以避開專利的保護，以得到期望的設計。針對此問題，作者在過去二十七年期間，發表系列論文、出版專書、並開授課程，重點為提出一套特有的「創意性機構設計法」如園一所示，用以有系統的產出所有可能的設計構想。

設計方法的第一個步驟，是找出既有的設計(Existing designs) ，歸納出這些設計之機構的拓樸構造特性(Characteristics of topological structures) ;然後，任意選擇一個已存在的設計作為原始機構。第二個步驟是經由一般化(Generalization)的程序，將原始機構轉化成只含有連桿與旋轉接頭的一般化鏈(Generalizedchain) 。第三個步驟是運用數目合成(Number synthesis) 理論，得到具有所須機件與接頭數目的一般化鏈目錄(Atlas of generalized chains) 。第四個步驟是根據設計需求與限制(Design requirements and constraints) ,並經由特殊化(Specialization) 程序，將每個一般化鏈的機件與接頭指定類型，以獲得可行特殊化鏈目錄(Atlas of feasible specialized chains) 。第五個步驟是經由具體化(Particularization) ，將每個可行特殊化鏈轉換成與其相對應的機構，來獲得設計目錄(Atlas of designs)。設計方法的最後一個步驟，是從產生的設計自錄中，去掉巳存在的設計，所獲得的即是具申請專利潛力的創新設計目錄(Atlas of new designs) 。
以圖二所示之本田越野機車的後懸吊機構為例，經由本設計方法，可得到如圖三所示的十個設計構想;其中，圖三(b)是川崎越野機車的懸吊機構，圖三(h)是本田越野機車的懸吊機構，團三(i)則是五十鈴越野機車的懸吊機構。因此，可得到七種創新的越野機車後輪懸吊機構，如圖三(a) 、(c)-(g) 、(j)所示。

歷程
1980 年夏任職成功大學機械系後，即指導研究生開啟有關創意性機構設計的系列研究，然而其後幾年僅1983 年在國內的〈中國機械工程學刊〉發表「新機構之類型合成法」論文及在美國的《The 8th Applied Mechanisms Conference》(St. Louis, Missouri) 發表「Creative Design of a wheel damping mechanism」論文；後者是本創意性機構設計法首次有國際能見度。也因如此，隨後接受美國General Motors Research Laboratories (GMR,Warren,Michigan)的主動邀請，於1984年夏留職停薪前往任職，主要的工作為運用本創意性機構設計法，研究出創新的汽車自動變速機構。
由於1980-1984年在台灣期間，常有投稿國際學術刊物被退回稿件或石沉大海的情形，而1984-1985年在GMR 期間的研究內容亦不允許公開發表，當時心靈上所受的挫折與壓抑，實在是筆墨難以形容。因此，1986年元月應邀轉往State University of NewYork at Stony Brook機械系任教時，開始動筆將過去的研究成果撰寫成書、公諸於世、與大家分享。
1990年11月，接受國家科學委員會的主動委託，在成功大學承辦了《NSC-NSF Joint Seminar on Recent Developments in Mechanical Design》研討會，美國國家科學基金會(NSF) 的十位閣員中，有多位是機構學界的國際級知名學者，於互動中了解到作者在創意性機構設計研究的投入，主動邀請將過去十年的成果寫成專文“Creative MechanismDesign" ，並刊登於1992 年出版的《Mechanism and Machine Theory》學術期刊上。
自此，在創意性機構設計主題的研究成果，才逐漸在國際間被了解、受肯定，不時有國內外學術單位與機械業者邀約撰寫論文、講演專題、訪問講學、開授課程、及擔任顧問等。例如， 1 9 9 2 年受邀為《Mechanism and Machine Theory》的AssociateEditor，而2005年春則有義大利University of Calabria的助理教授主動前來參與相關研究，我並受邀於2006 年02 月前往該大學講授Creative Mechanism Design八小時。

成果
自1980 年返台任教迄今，計指導31 位博士生、81 位碩士生畢業，發表學術著作250多篇、專書3 本(八個國內外版本) ，並獲得48 件國內外專利;主要的成果，是有關創意性機構設計的系列研究。
自1980年起，開啟了「(封閉鏈)機構創意設計」的系列研究，內容包括設計方法、機構一般化、運動鏈數目合成、及機構特殊化等重點；並首先將圖論中的Graphs， Hyper graphs, Planar graphs與機構中的Kinematic chains建立數學上的一對一關係。有關設計方法的研究，在學理上具首創性，並引發國內外學者和專家的後續研究與應用；機構之一般化的研究，為這領域的研究論文中最完整者;運動鏈之數目合成的研究，為這領域研究論文中發表著作最多的學者之一；機構之特殊化的研究，則在學理上具突破性，並首先利用組合論精確的計算出所有的設計構想數目。自1990年起，進一步將研究範圍提昇至「(開放鏈)機構創意設計」，自2000年起，更突破障礙，成功開啟了「(變化鏈)機構創意設計」的研究領域。
多年來，有關創意性機構設計的研究，在學術上自成一家，亦為國際學者專家所重視。大陸之中國機械工程學會的「機械設計」期刊，曾於1995-1996年將本研究以"顏氏創造性機構設計法"為題，以五篇專文連載。此外，本研究成果亦具相當的工程應用價值，被國內外工業界所採用，並據此產出多項專利。
我根據多年來在教學、研究、及工業界服務的經驗，將有關創意性機構設計的研究成果，以英文寫前「Creative Design of Mechanical Devices」一書，於1998 年10 月由Springer出版，是國內外機構與機器設計領域中，第一本有關創意性設計的專書。再者，本書的大陸中文版「機械裝置的創造性設計」，於2002 年07 月由北京的機械工業出版社發行，而本書的台灣中文版「機械裝置的創意性設計」，也於2006 年02 月由台北的東華書局出版，擴大了研究成果的推廣層面。
2004年開始在成功大學機械系開授「創意性機構設計」課程，並於2005年獲得國科會的補助，執行「創意性機構設計課程數位學習系統」計畫，將該書的內容發展成為合乎SCORM平台的中英文數位學習系統，並於2006 年舉辦師資培訓研習會，深化了研究成果的推廣層面。
自1993 年起，更研究將「創意性機構設計法」延伸用來復原失傳的古機械，並且成功復原出戰國魯班的木車馬、東漢張衡的侯風地動儀、北宋蘇頌的水輪秤漏機構(圖四)、以及歷朝歷代的指南車(圖五)等。

結語
進行創意性機構設計的研究已逾二十六年。一路走來，從早期(1980-1989 年)的孤芳自賞、孤掌難鳴，孤獨的於1983 年在台灣發表第一篇論文;經歷中期(1990-1997 年)的漸有迴響、偶有共鳴，溫馨的於1992 年在國際學術期刊發表論文;到1998 年由Springer出版英文專書後，常常受到國外相關單位與學者的邀約，研究成果才逐漸受到肯定，雖非歷盡滄桑、但確是苦盡甘來。
此刻回想，以處驚不變的精神，在幾乎無研究資源的環境下，有毅力的撐過了本研究成果不被學術界欣賞、但被產業界接受的前十年;否則，相關基礎研究在1980 年代已胎死腹中。在者，以處變不驚的精神，有決心的拋開了自1980 年以來研究資源豐富之其它主題的誘惑(如CAD 、機器人、自動化、機電整合、精密機械、微機電、生物科技、奈米科技等) ，有恆心且一步一腳印的堅持自己的研究方向與理念;否則，相關研究在1990 年代無法出類拔萃。也因為前二十年的堅持(1990-1999年) ，才有機會在2000年代讓國內外體會與欣賞有關創意性機構設計的系列研究，並獲得一些學術榮譽，包括2006年的李國鼎榮譽學者。雖然這幾年國內有關創造力與創意設計的風潮盛行，我在國外獲得肯定的研究，逐漸在國內受到青睞，但我仍將秉持以不變應萬變的精神，持續致力於創意性機構設計的研究、教學、及工業服務。
研究是嘗試沒有人做過的事，本質貴在創新，愈具創意的成果，往往是在愈少的限制、愈多的挫折下產出。學術研究的奧妙之一，在於能否規劃出其創意的主題。然而，有些前瞻性的眼光與想法，處在事事要有共識才能推動的環境，是很難獲得認同與肯定的；有創意的人，其實大多是寂寞的。唯有本然的孕育自己在研究上的真愛，以千山我獨行的氣概面對問題、了解問題、解決問題，才有機緣享受孤獨的寧靜、才有機會產出永恆的成果。這就是我的研究－創意性機構設計。