全國中小學科展

高級中等學校組

雲端監看環保垃圾桶

垃圾桶在日常生活中廣泛應用,種類也越來越多,垃圾桶最常運用的方式,是透過紅外線感應來打開或關閉垃圾桶蓋,以防止垃圾桶發出腐臭味。本裝置可以自動壓縮垃圾,以達到節省專用垃圾袋的使用量,並利用溫度感測器、煙霧感測器、瓦斯感測器及超音波模組,以達到環保垃圾桶最佳化。本裝置採用ATMEL電子公司,所產生之單晶片微控制器(ATMEL AT89S52)作為中央處理模組及Arduino作為控制模組,並利用Wi-Fi通訊模組(ESP8266),並將資料傳送雲端(thingspeak.com),可使用智慧型手機連接雲端資料庫,以達到資料分析與管理控制,以達到環保的目的。

多方塊的塗色問題

在本篇研究報告中,主要討論一個關於多方塊的問題:給定一個多方塊,試找出n的最小值使得在無限大的棋盤上,可以塗上n種顏色並且使多方塊沿格線無論如何放置,都不會蓋到重複的顏色。一開始先以V形三方塊的情況開始討論,之後將單方塊至五方塊的所有情況都有系統地討論完畢。 為了給出顏色數的估計,考慮同時適用於所有k方塊的情況。也就是說,要找到一個塗上n種顏色的無限棋盤使得無論任一個被選定的多方塊怎麼被放置在棋盤上,都不會覆蓋到相同顏色的格子。本篇研究成功地給出了此問題的精確解。 除了上面一種估計之外,本篇研究也考慮了矩形多方塊的顏色數,並試圖以之給出所有多方塊所需的顏色數之上下界。

二次曲線上蝴蝶形的探究

從蝴蝶定理(Butterfly theorem)的圖形進行發想,在前人作品發想出研究方向,除了在圓與正方形以外,在其他圖形上討論蝴蝶形的其他性質是否有不同的發現?我們在圓、橢圓、拋物線與雙曲線之重疊圖形上作出對稱與非對稱蝴蝶形,對其面積、邊長、角度進行計算與歸納,再推廣到在拋物線上另找任意兩點做蝴蝶形;在研究過程中,我們也發現了圖形上一些特殊的性質,進行一連串的研究。且以普通高級中學課程綱要中數學科課程綱要內容為我們推論工具,希望能讓多數高中程度的學生均能了解我們的發現。

以衰減瞬逝全反射U型光纖感測器應用於過敏偵測之研究

本研究研發一U型光纖生物感測器。進行偵測時,首先將抗原修飾於光纖表面上,再將光纖先後浸泡於模擬樣品及二級抗體(二抗)。隨後,把U型光纖鎖入反應槽中並移至光學平台上導入雷射。最後,在反應槽中通入奈米金粒子溶液,奈米金粒子會與二抗接合,從而附著於光纖表面上,在光纖表面上形成抗原偵測目標二抗奈米金粒子之結構。奈米金粒子的附著改變溶液之折射率,同時也吸收雷射,使訊號的改變更加劇烈,讓此設計得以偵測小型生物分子。 本感測器與時間相關,能以動力學模型計算生物分子接合之解離常數,以低成本、快速、簡易的操作進行抗體篩檢等生物小分子檢驗。同時亦有發展為波導平台,具有模組化、大量檢測的潛力。

珍珠膜來膜去-天然快煮粉圓之研發

本研究利用自製包覆薄膜裝置,在濕粉圓表面包覆雙層海藻酸鈣薄膜(內層1.0%海藻酸鹽+外層0.5%海藻酸鹽),經自然乾燥製成新型粉圓,可浸泡冷水不會崩解或破裂,且水分完全滲入粉圓內部僅需25分鐘;新型粉圓在泡水25分鐘後,其內部水分含量高達51.67%。新型粉圓要達到100%煮熟率之時間,僅乾粉圓的37.80%、濕粉圓的42.75%,省時效果十分明顯;而所消耗電能,僅乾粉圓的25.57%、濕粉圓的28.81%,節能效果極為顯著。新型粉圓經全質構分析(TPA)之彈性已達到商品化之水準,並經官能品評驗證,受試者對新型粉圓各項目之喜好程度均優於濕粉圓。最後,測試新型粉圓之水活性僅為0.684,其Aw值明顯低於一般微生物生長界限0.8,可在常溫下長時間貯存。

「衣」起革命—涼感衣各項指標檢測與改良

本研究利用各項熱性質與舒適性來比較市售涼感衣的優劣,包括熱傳導、熱擴散、熱吸收、Qmax值、吸水性和彈性力,接著比較各纖維差異。比較完後本團隊開始思索如何使涼感衣更涼爽舒適。而市場上的複合功能衣物,如GORE-TEX®布料的透氣排汗與防水功能是利用多層布與薄膜的組合達到效果。受到啟發後開始進行涼感薄膜塗佈實驗,主要是添加涼感礦石粉體於DPU中,再塗佈於織物上。為多方比較,設計了塗佈不同厚度及添加不同比例涼感粉體的實驗組,每一組再進行熱性質和舒適性實驗。最後比較涼感效果、舒適性與經濟效益等各項實驗參數組合,結果顯示最佳條件為:塗佈厚度100μm涼感粉體15wt%。被覆涼爽織物未來可用於春夏季之外套、長褲、床罩、枕頭套、坐墊與躺椅等用途。

全球平均海平面的年際變化(1993-2017)

本研究探討年際氣候震盪對全球平均海平面的影響,故將衛星測高儀數據剔除長期趨勢與季節波動後,與數個氣候指數進行互相關及同調性頻譜分析,其結果為:(i) 海平面與 ENSO 在半年到十年的尺度下,有高度相關,相關的原因可能與降雨區的變化有關。(ii) 與 PDO、AMO 的相關性集中在二年到十年,AMO 相關性最高是在其比海平面早發生 8 個月的時間。海水的熱含量變化可能是主因。(iii) 與 AO 有弱相關,相關性最高是在 AO 比海平面早發生 15 個月的時間,推估可能是衛星測量資料空間範圍沒涵蓋北極海造成。(vi) 與 AAO 似乎有弱相關,但是無法確定。最後本研究將上述五個指數以最小平方法擬合海平面年際變化,得到各指數的相對強度貢獻比例,有助於了解在未來全球暖化下的海平面變化。

「咽」奄一「襲」──澎湖蚵蛭的捕食行為探討

澎湖牡蠣養殖受扁形動物蚵蛭危害嚴重,但缺乏相關攝食研究。本研究首次採集澎湖與金門蚵蛭,建立標本以利研究。經形態和性腺切片比對暫定為Stylochus(Imogine)orientalis splendida Bock,1913,建議發表為新種Stylochus splendida。後者為Stylochidea科的未描述新種(Stylochid sp.)。澎湖蚵蛭捕食過程分為攻擊期、捕食期和消化期。首次發現攻擊期的重要性,蚵蛭的咽在攻擊期斷裂形成無固定移動方向的離體咽,使牡蠣開閉殼頻率增加並死亡。離體咽會使文蛤外套膜萎縮,且與數量呈高度正相關(R2=0.96)。咽組織切片大量分支,有利伸出以斷裂,內含兩種不同形態分泌型細胞,推測有助於捕食。離體咽顯著影響文蛤死亡率(R2=17.37, P<0.01**),且與數量呈高度正相關(R2=0.90)。此種攝食模式的發現,可望對防治的研究提供幫助。

超重力鎖鏈-交錯排列結構對鎖鏈下落速度增加之探討

多個木棍以傾斜的方式,由兩側繩線固定形成一鎖鏈(如圖0-1),使其自空中自由落下,我們發現撞擊到下落面的木棍會因碰撞而轉動,拉扯連接木棍的繩線,使鎖鏈下落加速度大於重力加速度。本研究主要在探討此現象的成因,提出最合理的解釋,並研究相關參數之影響。我們比較以棉繩和釣魚線作為繩線來製作鎖鏈的差異,發現棉繩製的鎖鏈加速度達到一定值後就不再上升,且繩張力傳遞時間較長;而釣魚線加速度則會持續增加,且繩張力傳遞時間較短。進一步研究後發現,短邊繩長與木棍數會影響繩張力傳遞時間,而不影響最大加速度;木棍傾角會影響最大加速度,且有一最佳傾角,可以使鎖鏈加速度量值達到最大,而開始加速的時間在短邊固定時與角度無關。

結合SLAM及YOLO建構AR空間記憶眼鏡

本研究結合SLAM即時定位與地圖構建及YOLO即時物體偵測,實現環境物品辨識、定位、導航的AR記憶眼鏡。透過SLAM平面偵測建構空間中平面資訊,作為AR物件座標及物理資訊的依據參考,再經過機械學習訓練後的YOLO模型達到辨識物品,結合兩者建立空間與物品的依存關係。以VR眼鏡結合手機模擬AR眼鏡,採用iOS系統及Swift語言設計程式功能及介面,實現走動過程持續即時辨識空間與物品,可運用音量鈕選定要尋找物品,再透過眼鏡畫面方向及距離的指示,導航到該物品位置。本作品還可運用在工作場合,做到紀錄與提醒環境的變化,如航警可疑物盤查、公司財務貨物盤點等,成為幫助人腦記憶的輔助裝置。