評浮升機制

為特定應用擇最宜之浮升機制：定需求、以硬約束篩候選、以軟標準評倖存者，並於可復現之權衡研究矩陣中記其決定。

適用時機

• 為新產或實驗擇浮升法
• 為無接觸處理系統比磁、聲、氣動、靜電諸選
• 於技術審或提案中證設計之決
• 需求變時（如新負載、環境或成本目標）再評既有浮升系統
• 於投入詳設計前行可行性研究

輸入

• 必要：應用描述（所浮者為何、何以需無接觸懸浮）
• 必要：負載屬性（質量範圍、材料、幾何、溫感）
• 必要：運行環境（溫度範圍、氣氛、潔淨度、振動）
• 選擇性：功率預算（可用瓦）
• 選擇性：成本目標（原型與量產）
• 選擇性：精度需求（定位準、剛度、隔振）
• 選擇性：壽命與維護約束

步驟

步驟一：定應用需求

於評任何機制前定全需求之集：

1. 負載規範：質量（自最小至最大之範圍）、尺寸、材料組成、磁性（是否鐵磁？導電？抗磁？）、溫度限（可耐低溫？加熱？）、表面敏感（接觸是否致污染或損）。
2. 效能需求：浮升間距（mm 至 m）、承載、定位準、剛度（N/m）、阻尼、動態範圍（靜持 vs 受控動）。
3. 環境約束：運行環境之溫度範圍、大氣組成（空氣、真空、惰氣、液）、潔淨等級（半導體 fab、生物、工業）、聲噪限、電磁相容（EMC）需求。
4. 運行約束：可用功率、物理封包（浮升系統本身之大小與重）、維護間隔、壽命、操作者技能等。
5. 經濟約束：原型成本、量產單位成本、開發時程。

## Requirements Summary
| Category | Requirement | Value | Priority |
|----------|------------|-------|----------|
| Payload mass | Range | [min - max] kg | Must have |
| Payload material | Magnetic class | [ferro/para/dia/non-magnetic] | Must have |
| Gap | Levitation height | [value] mm | Must have |
| Precision | Position accuracy | [value] um | Want |
| Temperature | Operating range | [min - max] C | Must have |
| Power | Budget | [value] W | Want |
| Cost | Unit cost target | [value] | Want |
| Environment | Cleanliness | [class or none] | Must have |
| Noise | Acoustic limit | [value] dB | Want |
| EMC | Field emission limit | [value or none] | Want |

預期： 需求表，每需求分為「Must have」（硬約束，過/敗）或「Want」（軟標準，以分標評）。至少定 5 需求。

失敗時： 若應用定義過泛不能設定量需求，訪利害關係人或行邊界分析：定各參數可接受之最寬範圍。無已定需求而行之導致權衡研究武斷或有偏。

步驟二：錄候選機制

列待評之浮升機制及其運行原理與基本限：

1. 被動抗磁浮升：用所浮物（或抗磁穩定器）於永磁場中之抗磁磁化率。無需功率。限於小負載（毫克至克）且強抗磁材料（熱解石墨、鉍）。室溫運行。

2. 主動電磁反饋：帶位置感測器與實時控制器之電磁鐵。處理自克至數百噸之負載（maglev 列車）。需連續功率與控制系統。適用於鐵磁與導電負載。

3. 超導浮升：帶磁通釘扎之 II 型超導體提供被動、無功之浮升，具本徵穩定。需低溫冷卻（YBCO 77 K 需液氮，常規超導體需液氦）。負載限於超導體尺寸與臨界電流。極剛。

4. 聲駐波：超聲換能器建壓力節點以陷小物。負載限於次波長物（於 40 kHz 空氣中典型 < 5 mm）。需連續驅動功率。不論磁或電性皆可。生可聞諧波與聲流。

5. 聲相控陣：駐波浮升之擴，用多獨立控之換能器。可行三維操作與重定位。複雜與成本較高但靈活得多。

6. 氣動（空氣軸承）：加壓空氣之薄膜支物。用於精密臺、氣墊桌、氣墊船。需連續供氣。極低摩。精密軸承間距典型 5-25 微米，氣墊船更大。

7. 氣動（Coanda/Bernoulli）：空氣射流導向曲面建低壓區以懸物。簡便而廉。精度與剛度低。用於演示與某工業處理。

8. 靜電（庫侖）：帶電電極懸帶電或介電物。力極低（微至毫牛）但可於真空用。用於空間應用（引力波探測、慣性感測）與 MEMS。

9. 靜電（離子陷阱）：振蕩電場（Paul trap）或合靜磁場（Penning trap）限帶電粒子。用於單離子至奈米顆粒。主要為原子物理與質譜之實驗室技。

## Candidate Mechanisms
| # | Mechanism | Payload Range | Power | Temperature | Any Material? |
|---|-----------|--------------|-------|-------------|--------------|
| 1 | Passive diamagnetic | mg - g | None | Room temp | No (diamagnetic only) |
| 2 | Active EM feedback | g - 100+ t | Continuous | Room temp | No (ferro/conductive) |
| 3 | Superconducting | g - kg | Cryocooler | < 77 K | No (above SC) |
| 4 | Acoustic standing wave | ug - g | Continuous | Room temp | Yes |
| 5 | Acoustic phased array | ug - g | Continuous | Room temp | Yes |
| 6 | Air bearing | g - t | Air supply | Room temp | Yes |
| 7 | Coanda/Bernoulli | g - kg | Air supply | Room temp | Yes |
| 8 | Electrostatic Coulomb | ug - mg | Minimal | Any (vacuum ok) | No (charged/dielectric) |
| 9 | Ion trap | atoms - ug | RF power | Any (vacuum) | No (ions only) |

預期： 含所有物理上可行之機制之目錄，其基本特性已摘。至少 4 機制跨至少 2 不同物理原理。

失敗時： 若機制之基本限不定，查文獻或用相關分析技（analyze-magnetic-levitation、design-acoustic-levitation）以定之，然後進篩選。勿以猜度而篩。

步驟三：對硬約束篩

汰任「Must have」之需求不過之機制：

1. 將各硬約束為過/敗濾：對目錄中之每一機制，檢各「Must have」需求。一敗即汰之。
2. 常篩標準：
   • 質量範圍：若負載逾機制之基本質量限則汰（如聲浮不能處理公斤負載）。
   • 材料相容：若負載非磁而機制需磁性材料則汰（如鐵磁物之被動抗磁浮升不可行）。
   • 溫度：若低溫於運行環境不可行，汰超導浮升。
   • 真空/大氣：若環境為真空，汰氣動機制。若 EMC 需無磁場，汰磁機制。
   • 接觸：空氣軸承需近平面（準接觸）。若真無接觸所需則汰之。
3. 記汰之原因：記各已汰機制為何敗，以便於需求變時重審決定。

## Screening Results
| # | Mechanism | Pass/Fail | Eliminating Constraint | Reason |
|---|-----------|-----------|----------------------|--------|
| 1 | Passive diamagnetic | [P/F] | [constraint or N/A] | [reason] |
| 2 | Active EM feedback | [P/F] | [constraint or N/A] | [reason] |
| ... | ... | ... | ... | ... |

預期： 縮減之候選機制清單，各已過所有硬約束。至少一機制過篩；理想 2-4 留供評分。

失敗時： 若無機制過所有硬約束，則需求相互矛盾。鬆最不關鍵之「Must have」需求（改為「Want」）並再篩。若需鬆多需求，應用或需合二機制之混合法（如磁主力配氣動穩定）。

步驟四：以軟標準評分

以加權評分矩陣排倖存之機制：

1. 定評分標準與權：將各「Want」需求轉為評分標準。賦權以示相對重要（如 1-5 標，或加至 100% 之百分比權）。常標含：
   • 成本（原型與單位）：以經濟敏感度加權
   • 複雜：組件數、控電子、對齊關鍵性
   • 精度：定位準、剛度、隔振品質
   • 功耗：運行瓦、待機瓦
   • 可擴：處理負載範圍或量產之能
   • 可控：動態調間距、位置或剛度之易
   • 成熟：技術成熟度等級、商用組件之可得
   • 噪：聲、電磁或振動排放
2. 評各機制：以一致之標（如 1 = 差、3 = 可、5 = 優）評各倖存機制於各標準。若可則依步驟一至三之定量數據，非主觀偏好。
3. 算加權總：對各機制，乘各標準分以其權並加之。加權分最高者乃首候選。
4. 靈敏度分析：使首 2-3 權 +/- 20% 並察排序是否變。若排序敏於權之擇，標之並呈替代於決策者。

## Scoring Matrix
| Criterion | Weight | Mech A | Mech B | Mech C |
|-----------|--------|--------|--------|--------|
| Cost | [w1] | [s1A] | [s1B] | [s1C] |
| Complexity | [w2] | [s2A] | [s2B] | [s2C] |
| Precision | [w3] | [s3A] | [s3B] | [s3C] |
| Power | [w4] | [s4A] | [s4B] | [s4C] |
| Scalability | [w5] | [s5A] | [s5B] | [s5C] |
| Controllability | [w6] | [s6A] | [s6B] | [s6C] |
| Maturity | [w7] | [s7A] | [s7B] | [s7C] |
| **Weighted Total** | | **[T_A]** | **[T_B]** | **[T_C]** |
| **Rank** | | [rank] | [rank] | [rank] |

預期： 完整評分矩陣，所有標準已加權且所有機制已評分。明排序呈現，首候選已識。靈敏度分析確排序穩健（或記其脆處）。

失敗時： 若二機制分相差 10% 內，紙上決定過近。建議原型化兩者並依實驗效能擇之，或識一可破平之辨別性測試。

步驟五：記建議與權衡研究

出最終權衡研究報告：

1. 建議：以一段式理由陳所建議之機制，引評分結果與關鍵辨別標準。
2. 次位：識次位機制並解其於何條件變時會成首選（此為回退計）。
3. 已汰機制：略列已汰機制及其失格約束以求完整。
4. 風險與緩解：為所建議之機制識首三技術風險及建議之緩解。
5. 下一步：指所需之詳設計工作（引合適之分析技：磁性用 analyze-magnetic-levitation、聲用 design-acoustic-levitation 等）。

## Trade Study Summary

### Recommendation
**[Mechanism name]** is recommended for [application] because [2-3 sentence justification
referencing the key scoring advantages].

### Runner-Up
**[Mechanism name]** would be preferred if [condition changes, e.g., "cryogenics become
available" or "payload mass decreases below X grams"].

### Eliminated Mechanisms
- [Mechanism]: eliminated by [constraint]
- [Mechanism]: eliminated by [constraint]

### Risks
| Risk | Impact | Likelihood | Mitigation |
|------|--------|-----------|------------|
| [Risk 1] | [H/M/L] | [H/M/L] | [action] |
| [Risk 2] | [H/M/L] | [H/M/L] | [action] |
| [Risk 3] | [H/M/L] | [H/M/L] | [action] |

### Next Steps
1. [Detailed analysis using specific skill]
2. [Prototype or simulation task]
3. [Experimental validation milestone]

預期： 自足之權衡研究文檔，另一工程師可審、質、行之。建議可追於需求與評分，非於未明之偏好。

失敗時： 若建議不能唯以評分證（如首分機制有已知之破局而標準未捕之），回步驟一加缺需求。勿越評分而不記其因。

驗證

• 應用需求以定量值與優先分類已定
• 至少 4 浮升機制跨 2+ 物理原理已錄
• 硬約束篩已一致施，汰已記
• 至少 2 機制過篩以為有意之比
• 評分標準有明權，所有分已證
• 對首 2-3 權因子已行靈敏度分析
• 建議含可追於評分矩陣之理由
• 次位與回退條件已記
• 為所建議之機制已識風險與緩解
• 權衡研究完整至獨立審者可驗之度

常見陷阱

• 於權衡研究前錨於所偏好之機制：以結論始而逆工程需求或權以支之。解為於評任何機制前定需求與權。若爾已知欲何機制，則權衡研究為驗證之演練，非選擇——於此宜誠。
• 略不熟域之機制：具磁背景之工程師忽聲選項，反之亦然。恒於初始目錄中納四大族（磁、聲、氣動、靜電）各至少一機制，縱多將遭篩。
• 混硬軟約束：以偏好為硬約束則過早汰可行選。唯真不可議之需求（安全、物理限、監管）方為硬約束。餘皆應評分。
• 預設平均加權：予所有標準同權亦為決定——其意所有標準同等重要。利害關係人應明排序。若拒，用成對比（AHP）以誘隱權。
• 忽系統級交互：浮升機制不獨存。聲浮生可能影響近器之噪。主動磁浮射時變場可能違 EMC 需求。超導浮升需低溫基礎設施。於其系統語境內評之。
• 無不確性之單點評分：評機制於成本為「4」意假精度。若可，分以範圍（如「3-5」）表之並傳不確性至最終排序。若二機制分範圍重疊，則排序非決定性。

相關技能

• analyze-magnetic-levitation — 當磁浮為所建議或候選機制時之詳析
• design-acoustic-levitation — 擇聲浮時之詳設計
• analyze-magnetic-field — 算磁浮評估所需之磁場剖面
• argumentation — 可用於權衡研究之結構化推理與決定之證明技