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農機工程、生物工程與生醫工程： 寫給生物機電工程科系的學生
中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠 國內曾有5所大專院校設立農機系或農機科。近十年來，農業專科學校已不再存在，而農機科系也改名為冗長的新系名：生物機電工程學系，或是使用更長的名字：“生物產業機電工程學系”。也因而促成中華農機學會與台灣生物機電學會等兩個學術團體並列存在。許多進入此科系的學生往往詢問著“什麼是生物機電工程？”。而到了四年後大學畢業，許多畢業生仍然不知道生物機電是什麼？此篇文章即是為生物機電工程學系的學生而寫，內容有三項主題：一、美國農業工程的演變，二、台灣生物工程與生物技術的發展，三、生物工程與生醫工程。 一、美國農工工程的演變 台灣農機系的轉型過程引用許多美國農工學會的資料，因此自美國農工系的轉型改名談起。 在人類的文明史中，基礎學理不斷的演進，自數學、物理、化學至生物等。隨著文明的發展也建立許多技術。但是將基礎學科與工業技術加以結合成為一個可控制、可管理、可重複的應用學問，則稱為工程學。工程學由其演變又可分成基礎學理為主的工程學與應用為主的工程學。 自物理學中的力學、熱學加以建立成為機械學系，自物理中的電學加以建立成為電機學系，自化學建立化學工程系。機械系、電機系與化工系都是以基礎學理為主的工程學系。生物學與工程學共同結合成為生物工程系。由此可知生物工程系其本質也是來自基礎學理的工程科系。 由上述的工程科系可以再推廣成立以應用為主的工程科系。例如自機械系再分出車輛工程、造船工程、航空工程與農機工程等，自化工系再成立石油工業、紡織工程等。也有綜合數個基本工程學系而成立的新系，例如環境工程、農業工程或是醫學工程等。 由上述工程科系的建立沿革可知，一些趕時髦的名詞，如“組織工程”或是“細胞工程”並未有實質意義，也如泡沫般在學術舞台消失。在此可知農機工程與生物工程的分野有多大。農機工程是純應用為主的工程科系，其基礎為機械工程。生物工程則是結合生物學與工程學的新領域。換言之，生物工程是要結合兩個學術領域並具開創新領域。自農機工程轉變為生物工程是兩個極端領域的過渡。台灣自農機工程先轉向“生物產業機電工程”也算是一個折衷過渡的方式，可惜此過渡並未達成，因此“生物機電”成為前進不成(無法開創新領域)，後退不得(農機產業逐漸消殆)的學術領域。真正的解套是要向前行，勇敢地走向“生物工程”的終極領域。 生物工程的定義是什麼，在各相關學會如ASAE與JAE等都有不同的定義，而最簡捷的定義如下：“The biology-based engineering discipline that integrates life sciences with engineering in the advancement and application of fundamental concepts of biological systems from the molecular to ecosystems levels.”。 以美國農業工程學會為例，自1965年北卡羅納大學農工系最先提出更改系名為生物工程系。一直到了1990年，俄亥俄州立大學才提出完整的生物工程核心課程。在2006年，美加地區除了少數學校仍然維持農工系此名稱，大多數農工科系已更改系名為生物工程、生物系統工程、農業與生物工程、生物資源工程等名稱。在2006年，美國馬利蘭大學生物資源學系對更名後的生物工程學術界進行追蹤探討，其結果報告顯示自農業工程轉型成為生物工程仍未完全定案，主要的現象如下： 1. 科系課程的調整十分緩慢。 2. 研究主題仍然侷限於傳統農業，少有開創新局。 3. 一些生物工程學系被歸屬於農學院而非工學院。 4. 學術活動仍侷限於美國農業與生物工程學會(ASABE)，與其他領域少有往來。 在科系的調整歷程中，並不是只有此農工系朝向生物工程的世界。傳統的三個學術領域也早有部份研究人員從事生物有關的學術活動。電機工程領域早存在著生醫工程(Biomedical Engineering)部門，化學工程也很早成立著生物程序工程(Bioprocess Engineering)與生化工程(Biochemical Engineering)兩個學術領域。在機械工程也有部份學者進行生物力學(biomechanics)研究。 在以電機為背景的生醫工程領域，其產業目標十分明確。著向人體醫學，因此其基本學理為人體生理學而非生物學。研究對象以醫療器材的開發研究為主。在國外的學術領域，生醫工程是電機學會的一個部門，相互的學術連結十分密切。21世紀，細胞或分子層次的醫學已受到重視，因此生醫工程也有以細胞或分子生物性機構(Cellular biological mechanism)為主題的研究。美國農工系在轉型階段引進了部份生醫工程人員從事教學。 以化學工程為背景的生化工程或生物程序工程在化工領域一向不是顯學，但是在近十年來開始受到重視也逐漸壯大。以前的研究主題是生物反應器的製作放大。生物製程的最佳化與生物產品的加工處理。近年來此領域朝向生物性材料、生物感測器等領域。當然也有部份人員轉入新成立的生物工程領域。 在二十一世紀的美國生物工程學系，可明顯地發現是三種學術領域的組合：原來農業工程學系的師資，電機領域中生醫工程人員與化學工程的生化工程人員。但是都有兩個共同的問題：一、開創的新領域不多，研究項目仍停留在農業工程的時代，二、因為研究經費的壓力，逐漸朝向醫學工程的研究。 依據美國農業與生物工程學會(ASABE)的資料，美國生物工程的學程規劃有三大類： 一、大學部 (一)基本學門：數學、物理、化學、生物、靜力與動力學、熱力與熱工、電子與 電工材料、電腦語言與統計等。 (二)進階學門：流體力學、熱傳與質傳、儀器學、控制理論、系統分析等。 (三)核心學門：1. 生物學於工程之應用 2. 生物反應與環境 3. 生物熱質傳遞現象 4. 生物材料與物性分析 5. 生物系統控制 (四)選修課程：例如生醫工程、生物程序工程、生物環境工程、生態工程學。 二、研究所：因各校發展特色而各自建立不同的學群，以東北地區為例： 1. 生物資訊收集與處理：感測系統、統計、數值分析等。 2. 生物資訊的建模處理：生物系統模式、生物傳遞現象等。 3. 生物系統的調節與預測：以系統設計為主。
歐洲的生物工程學術領域則在2000年有如下的改變： 1. 以系統性的整體概念以解決生物性的問題，因此其期刊名稱自Journal of Agricultural Engineering Research 改名為Biosystems Engineering。 2. 在學術研究上，標出三個主軸：Monitoring, Modeling, and Control。 比較歐美自傳統農業工程領域轉型至生物工程的學程規劃，都可看到共同的特色，而此也是整體學術的大方向。 一、以整體生物系統為研究單位，著重整合性解決問題而非傳統的分工方式。 二、以資料收集開始，因此重視感測。資料需要量化處理，因此需要數學建模與統計。再以環境與生物的反應資料，規劃設計各項設備與系統以調節生物活動，範圍則自生產至加工處理。 生物工程的應用範圍可自細胞或分子的層次至完整的生態環境。大學部的學生要接受工程學科完整的基礎訓練，也要熟悉生物與化學的基本知識。循序依各階段學習生物工程課程。研究所則依各學校的發展特色，致力不同的生物產業。產業不同但其應用的研究方法卻是有相同的脈絡：感測、建模與控制。 台灣的“生物機電”領域屬於過渡期的權宜之計，目前更需要開創新局。而開創者的基本功夫還是自基本學科的學習開始。 二、生物工程與台灣生物技術的發展 生物工程的領域可自分子的層次至生態的層面。生物技術著重於分子、細胞或是細胞內的世界，因此生物工程與生物技術兩者的關係可說明如下： 1. 生物技術只是生物學術領域的一部份，並不是生物學的全部。 2. 生物技術成為一項生物產業之後，生物工程才有所發揮。 以蘭花組織培養苗生產為例，母瓶製作、病毒檢測、培養基配方調整等都是屬於生物技術的內容。以基因進行育種也是生物技術的應用。組織培養苗在小規模、家庭式的生產階段，根本談不上產業，也不需要工程技術。然而在蘭花成為國際競爭性的大產業之後，產量與產值不斷增加，組織培養苗開始量產，組培場規模相對擴大，量產的工程技術因應而發展，例如洗瓶機、分注機等各項設備，移植室的空氣清潔，栽培室的環境控制等。由蘭花組培苗產業的實例可知，只有建立生技產業、生物工程才有著力的對象。 台灣農業生技的發展目標如同編撰神話故事。研究項目零星雜亂，分散如水面泡沫。近十餘年的研究，如黑洞般吸入大批經費，而今看不到一項真正的農業生技產業。標稱的生技產業竟是健康食物與化妝品。科系不斷的成立，學生不斷地大量生產，然而學生無一個產業可以就業。因此生物工程不能貪便宜，只圖研究經費龐大而搶搭此生技便車，而是要認清此生物技術的領域本質。在生物技術有了著力的產業，生物工程才有投入機會。否則在生物技術研究成為一場空笑夢之後，生物工程才不致於與此生技學術領域同歸於盡。 三、生物工程與生醫工程 生物工程處理的對象是生物，人也是生物，因此人體是生物工程的研究對象。也因人體健康的重要，生醫技術的相關領域中生醫工程成為各傳統科系競逐的新領域。其相近或是相等的學術領域則是醫學工程。 醫學工程在工程領域是屬於結合許多科系綜合而成的應用性工程科系。人體工學、運動力學、肌肉與骨骼的受力等研究是結合機械科系與人體結構學。心電圖、超音波、X-ray照射等醫學儀器則是來自電機學門與人體生理學的結合。人造組織、人工皮膚、人工腎臟、洗腎設備等研發背景來自化工學系。 近年來，醫學工程的熱門研究主題是應用於人體健康檢查的生醫檢測，尤其是老人醫學的健康狀態檢查與其生理資料處理。此項產業已吸引許多領域投入。例如機械領域針對人體工學以改善各項輔助器材。電機領域則開發各項預警與資訊網路中心，用以連結護理對象與各種醫療體系，並且投入研發各種檢驗器材。近年來最熱門的研究主題是生物感測元件，或是微機電檢測元件。結合“生物技術”與“微機電”的生物晶片更是如煙火般的燦爛。 醫學界對此生物感測的熱潮一直存疑。因為30年前開發第一項商業化的生物感測器是血糖計，而在2005年唯一上市的生物感測器仍是血糖計。雖然有數不完的生物元件學術論文，真正成為商品，真正成為產業也只有血糖計。此學術研究與產業需求兩者無交集的原因可由生物感測元件的發展過程可以找到答案。過去的生物感測元件發展歷程偏離了學理基礎，在一味求新求變、一味要求開發微小化、要求多功能化的生物元件，而忽略了醫療儀器的本質：準確，安全與標準化。更忽略生物元件要結合訊號處理元件才能實用。在捨本逐末的研發歷程中，著重新元件、著重微型化，而對於感測理論的基礎：電學與統計學反而忽視而不知。更不用涉及訊號處理與校正工作。對於感測對象的生理現象也未加以瞭解，這就是目前求新潮、求微型化的負面效應。 生醫工程此研究領域只會逐年擴大，此研究主題可以容納許多科系人員，生物工程也可以在此找到著力點。以前的學術領域中，機械、電機、化工等科系都有部份人員涉及了生物力學、醫用器材與生物製程等生物相關研究。生醫工程的競爭因而更是激烈。生物工程在此要如何開始？此問題的解答則是科系課程的研習開始。 在科系的課程研習中，生物工程本來是一個可進可退的工程科系。大學時代對於各工程學門都有研習的機會，因此對大一與大二兩年工程學的基礎學科都可以研習。而大三與大四核心課程則是結合生物與工程的領域。因此只要紮好基礎，就算是對於生物工程不再有興趣。以工程基本領域的背景，仍可在其他工程領域發展。因此進入生物工程的大學生，對於大學的基礎學科一定要奠定雄厚基礎。在大三與大四的核心課程研習中可用以自我調整，尋找自己的研究興趣，決定自己是否適合生物工程此領域。生物工程的特質則是以整合為主，而不是傳統的分工。著重系統性、全面性的思考，而不是一段流程或一件技術的開發。 在研究所階段，生物工程著重於培養系統性的設計能力與提出解決的方案。其研究基礎還是三要件：感測、建模與調節。而應用的對象是生物，自細胞或分子的層次至生態的世界。生醫工程即是其中的一項。 四、結語 企業能夠持續發展，在於其具有不可取代性，科系也是如此。農機工程在台灣已完成其時代使命。在二十一世紀，歐美地區此科系朝向新的學術性工程學系：生物工程。台灣則選擇了“生物機 電”此特殊名稱。不論名稱是什麼，科系能夠永續發展的本質也是其是否具有不可取代性。 進入“生物機電”學系的學生都有一份茫然，而多數學生一直到畢業離開仍是此份茫然：“生物機電”是什麼？對此無解的問題可以用另一方面的思考。我進入此科系後能夠學到什麼？未來能做什麼？ 生物系統工程研究室在1996年成立，至今年3月剛好是10年。10年中，研究室的研究領域除了傳統農產品加工工程，與溫室的結構與環控。10年來不斷的發展，研究領域涵蓋了組織培養苗量產與蘭花生理感測，也建立了國家級的檢定實驗室。近年來研究領域以固態生物反應器與生物電學為對象。但是技術主軸仍是Sensing、Modeling、Control。 十年的研究教學生涯，每年都有學生畢業與就業，又有新的研究生加入研究室。由學生的就業可以瞭解台灣的產業發展。有個不變的真理：產業對研究人員的需求不是最新潮、最熱門，而是紮紮實實的學識基礎與創新發展的能力。 不論是名義的“生物機電學”，或是歐美“生物工程學”，此學術領域可進可退，只要在基本學科紮下基礎，有著海濶天空的各項工程領域可以前往就業。對生物工程有興趣，有獻身抱負的學生，在研究所階段可以學習資料收集、知識整理與系統性的應用。而其對象當然是具有生命現象的生物體。只要肯下工夫努力，不論四年的大學生涯或是再多二年的研究所時段，都不會平白度過。二十一世紀對研究人員的要求不是最新潮、最熱門，而是切切實實的學術基本功夫與原創性的研發能力。這是十年教書生涯的深切體會。以此與生物機電工程學門的學生互勉。
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