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本地科研力量潛藏無限 理大研究成果可見一斑

理大應用航天科技研發內置馬達的微創外科手術機械人系統(香港理工大學)

近年香港政府和社會大力推動創新科技發展,決意打造香港成為知識型經濟體系,提升競爭力。本地大學作為科研力量的集中地,在創科發展中又擔當着如何舉足輕重的角色?

英國《泰晤士高等教育》最新公佈的2017年亞洲大學排名榜,審視了各亞洲大學於研究、教學、研究引述、國際視野和知識轉移方面的表現績效,其中共有5間本港大學打入亞洲20大。香港更被泰晤士高等教育編輯譽為亞洲高等教育領域之星,引證了本地的科研實力不容忽視。

以首次躋身亞洲二十大的香港理工大學(理大)為例,一向備受稱頌的是其應用型研究及在知識轉移方面的成績。事實上,理大在高端研究方面亦成就斐然,不但推動全球科研發展,亦對提升人類福祉有重大的貢獻。

除了蜚聲國際的鐵路監測系統和航天航空科技外,理大近年亦致力研究食物安全、醫療及可持續發展等範疇。以下介紹的是這些範疇的科研例子,包括應用航天精密科技,開發微創外科手術機械人系統;改變太陽能電池的物料結構,以提升可持續發展能源的效率;發現新的化學反應,讓食物中的甲醛無所遁形。從這些例子,理大的科研實力可見一斑。

(一)醫學突破:微創外科手術機械人系統

理大對研發各類深空探測精密儀器具豐富經驗,工業及系統工程學系副主任容啟亮教授更是當中領軍人物。2016年初,容教授所領導的跨學科團隊極具創意地將航天技術應用於醫學用途,研發了全球首台內置馬達、具備觸覺(力度)反饋、以及高達十個活動自由度、能夠施行單切口或經自然腔道(無切口)手術的外科手術機械人系統(NSRS)。

現今的微創外科手術市場僅有一個外科機械人系統。該系統的價格不但十分高昂,而且存在許多缺點,當中包括:需要在病人身上開多個切口、缺乏觸覺反饋,及機身體積龐大等。

為盡量減低手術創傷及改善目前機械人手術的安全性,理大團隊接受港大李嘉誠醫學院邀請,以工程專家伙伴身分研發系統。團隊將其特製的微型馬達裝置處於接近機械臂末端的手術工具位置,體積雖小但可產生足夠力度,執行高精確度動作,並提供高敏感度的觸覺或力度反饋,適合施行各種體內手術,如各類腹腔或盆腔手術,為開拓未來無創外科手術的領域踏出了重要一步。

(二)可持續發展:高轉換效率太陽能電池

2016年4月,理大成功研發當時全球最高能量轉換效率的鈣鈦礦/單晶硅叠層太陽能電池,其能量轉換效率高達25.5%,為可持續能源發展寫下新里程。

太陽光譜由不同的能量波段組成,製造太陽能電池必須結合多層光伏材料,才可擴闊電池的光波段吸收範圍,從而提升吸收的光能量。例如,以鈣鈦礦材料作上層電池可吸收短波段的光子,而用硅材料作底層電池則可吸收較長波段的光子,兩種材料互補不足。

團隊研發了三個創新方法,大幅提高該電池的能量轉換效率。首先,團隊利用化學反應,以氧低溫鈍化程序,優化鈣鈦礦的物理特性,改善電池的轉換效率。第二,團隊成功製造高透明度的金屬氧化物/金屬叠層電極,並將這電極調整至最合適厚度,置於鈣鈦礦電池層與硅電池層中間。由於電極的透明度高,使更多光能量能進入下層的硅電池,增加光吸收能量。第三,團隊亦結合理大紡織及製衣學系的研發,藉着複製玫瑰花瓣的紋理,製作仿生花瓣陷光薄膜,「吸附」在電池表面,使電池捕獲更多光線。

(三)食物安全:熒光探針快速測試食物甲醛

近年,甲醛曾被發現非法用於食品加工,用來漂白和延長食品的保質期,對公眾健康構成威脅。去年,理大應用生物及化學科技學系研發出一種操作簡單、針對性、高穩定性的熒光探針,能快速檢測食物中的甲醛含量,為即場食品安全檢測和前線品質監控提供理想方案。

研發透過針對性的化學反應和簡單的步驟,只需一小時便可以一次過即場檢測十個食物樣本,比起原本逐次檢測每個樣本需時30分鐘省時;而成本亦少於30港元,對比起原有方法便宜9成。食物樣本中若有甲醛,在手提式紫外光燈照射下,熒光探針會呈現熒光藍色,可輕易憑肉眼分辨檢測結果。

傳統的甲醛檢測需要使用昂貴的分析儀器和由高技術人員操作,食物樣本準備過程繁複,可同時處理樣本的數目少,而且分析需時,不適用於即場食品安全檢測。另外,市面上檢測甲醛含量的試劑盒容易受到其他醛類和色素的干預,不夠針對性和穩定,難以滿足業界和執法單位即場同時處理大量樣本的要求。

新研發熒光探針的原理是運用金催化劑,將三種化學物連接一起,包括 1)含位阻大胺的樹脂聚合物、2)甲醛和 3)藍色熒光染料,而該結合物而在紫外光下,會發出藍色熒光。研究人員首先將已處理的食物樣本,以及樹脂聚合物、金催化劑和染料放進器皿,在攝氏50度加熱一小時,再使用有機溶劑洗滌過量試劑,最後用手提紫外電洞照射以分辨樣本中的甲醛濃度。

從以上例子可見,理大不乏高端及具深遠影響力的研究,獲得國際認同。隨着政府決心投放更多資源予院校進行中游及應用研究,以及在分配研究經費時,加入研究影響、知識及科技轉移成效等評審準則,相信理大更能發揮科研實力,推動本地的創科發展,挑戰極限,開拓知識,造福世界。