全國中小學科展

高級中等學校組

最堅強的醫護人員—防疫機器人

本研究致力於改善在疫情底下的醫療場所分流機制,減輕第一線醫療人員的人力負擔。利用Arduino模組與臉部口罩辨識技術,串連「口罩辨識、體溫量測、酒精消毒」等三項主要關卡,最後製作出一個集所有功能於一身的「防疫機器人」。 防疫機器人將設置於醫療場所入口,在語音提示下,進行口罩辨識、酒精噴灑與溫度感測,如有突發狀況可與保全人員聯繫。待所有檢測完成後,溫度超標和正常的人會以不同方式進入醫院,降低交叉感染的風險,全面性的守護第一線的人員。 本研究成果能為醫療場所的分流達到「降低人力需求」及「安全」的目標,甚至可以拓展至其他同樣需要分流機制的場域。

離子推進器之探索

本研究藉調控電源供應器電壓至高壓模組,可輸出不同高壓電,驅動自製以銅釘與銅管構造離子推進器,產生不同大小推力。因推力極小需自製儀器測量,藉檢流計內渦形彈簧與通電後檢流計指針偏轉,製作電磁扭秤量測微小推力。發現驅動電壓(3.7~7.6kV)與離子推進力呈正相關。調整銅針與七枚銅管間距,間距小於0.80cm,尖端放電且推力略為降低,間距介於1.30cm與1.45cm時,轉變為吸力,進一步觀測單一銅管周圍流場,類似電偶極場分佈,說明離子推進器銅針與銅管間距小,視為平行板電場,而銅針與銅管間距大,可視為電偶極電場分佈。最後間距大於1.45cm時,推力驟減為零。產生離子風,通過銅管後的空氣噴流,磁力不偏向證實不具有正負電性,但未經銅管的噴流應帶有正電荷。

「導數」計時 ~由連續導電度的變化探討離子的反應速率

高中介紹各種反應的速率比較,但卻缺少實際觀察各種反應快慢的方式;本研究發現,可藉由連續導電度測量,從導電度的變化曲線中,觀察到各種離子反應在過程中的離子變化特徵,也可以找到準確的反應終結時間,並做定性及定量上的運用。文獻曾以硫沉澱的濁度,測奈米硫的反應速率,但此法測的是氧化還原與沉澱速率之和;但由連續導電度圖,則可單純的得到氧化還原反應的速率。透過取樣時間的適當設計,可觀察到每種離子反應的導電度波動都很獨特,相同的離子反應,導電度曲線的起伏很相似,可做為鑑別離子反應類型之用。從秒錶實驗的導電度圖中,還可看出兩個反應機構的交替過程。在反應速率的研究及教學上,連續導電度法提供了簡便而準確的方法。

圓例覺醒

平面上,P點為△ABC內部任意一點,AP、BP、CP分別交△BPC、△CPA、△APB這三個三角形的外接圓於A'、B'、C'。若△ABC為銳角三角形,則PA'/PA·PB'/PB·PC'/PC≧8,等號成立時若且唯若△ABC為正三角形,此外,並以三角形的三內角來表示P點為費馬點、外心、內心、垂心、重心時的確切比值;接下來推廣至n維空間,當P為任意n+1單體A1A2....An+1內任意一點,A1P、 A2P、…、An+1P 分別與n+1單體P-A2A3...An+1 、P-A1A3...An+1 、…、P-A1A2...An 的外接n-1維球面交於A1、A2、…、An+1,滿足Πk=1n+1PAk'/PAK≧nn+1,等號成立時若且唯若PAk'/PAK=n,k=1,2,...,n+1,其中n≧2。再藉由任意點的結論,可以應用於直接生成或快速解出許多特殊類型的三角函數不等式。此外,從主要的不等式還可以得到Σk=1n+1AkP/AkAk'=1,此時P點為n維空間中任意一點,最後,我們把圓改為圓錐曲線,再進行線段比值的探討。

horn horn horn-氣動式喇叭之頻率研究

空氣喇叭構造簡單,大致上的構造有進氣孔、氣室、彈性膜與出氣管。當內部氣體流動,引起膜的振動,便會發出聲音。而發聲原理十分複雜,構造有類似可產生共鳴的管子,藉由聲音感測器的測量再經過傅立葉分析,分析顯示聲音的基頻與開管空氣柱共鳴的計算結果不同,閉管亦然。而長度改變、管子口徑,皆會影響聲音的基頻。另外,對聲音強度有影響的則有進氣量及口徑。利用壓力感測器測量氣室內的壓力變化,發現壓力變化的頻譜圖和聲音相同,而壓力變化和膜的開閉相關。我們在這個實驗內探究空氣喇叭如何產生聲音以及影響聲音頻率的原因。

磁力震盪光點秀-探討磁鐵在磁場中的舞動現象

最早看到網路上有人利用磁鐵間的磁浮力量,玩起了擺盪的玩具,從磁鐵間看似不規律的起落中,有著一股無形的默契,形成相互擺盪的有趣現象。為一探究竟,好幾年針對不同變項研究,不斷改良簡易又精準的自製儀器,累積許多經驗,以此為基礎,發現: 1.磁力震盪傳遞的效果會受到磁鐵本身磁力與形狀雙重的交互影響 2.外圍磁鐵數量越多磁力震盪傳遞的效果越好 3.改變兩顆外圍磁鐵夾角對磁力震盪影響不是呈現線性比例關係 過程中利用磁力震盪的特性,設計並製做出實驗所需的測量器具,再由磁力震盪變項的相互影響,可歸納傳遞磁力效能最佳的變項組合,最後利用磁力震盪的特性,設計出光感式磁力震盪的測震儀,可說是從小東西玩出大道理來!

探討豉甲外型對下潛運動的影響

豉甲為棲息於水面的昆蟲,中、後足為扁平槳狀的游泳足,體長約17mm。在水面上快游速度達1.08 m/s,潛游時速度約0.57 m/s;豉甲潛水平均速度約0.83 m/s,下潛僅需41 ms。以Ansys模擬豉甲潛水,發現會在背部隆起與腹側形成壓力差,產生向下的作用力以利其下潛。製作隆起高度比例不同的模型,發現在破水時,1與1.5倍的法向作用力較小,入水後1倍的作用力矩較大,使其更快旋轉向下潛。施力的角度越小,破水時法向作用力也越小,但不影響作用力矩的大小,模型的形狀、運動狀態才是影響作用力矩的主要因素。下潛時蟲體先具一定大小的初速度,有助於下潛,破水時速度越快總作用力越大,但作用力矩正比初速的2.1次方,速度越快使其更快旋轉,令用於下潛的有效分量提升。

利用生成對抗網路生成擬真的山脈地形

本研究中,我們利用Google所提供的API收集來自台灣及中國的地形高度圖(heightmap)和衛星空照圖。我們利用收集的圖像訓練pix2pix cGAN (conditional Generative Adversarial Network) 模型,並將人工繪製的高度圖加上真實山脈應有的細節(包含尖銳的山脊、山壁上的紋路、連續的河流網路……等),透過訓練的pix2pix模型生成更接近真實山脈的效果。為了提升擬真地形的生成效果,我們在原先pix2pix模型的基礎下,額外加入「動態權重層」來達成。最後利用這些經訓練的pix2pix模型,開發了API、Unity客戶端及網頁客戶端,使我們訓練的pix2pix模型更加實用。本研究除了能應用於遊戲開發,使生成擬真山脈的流程更為簡化,也可將其應用於將低解析度之高度圖轉換為高解析度之高度圖,同時保持高度圖的真實性,幫助地形資料的收集作業。

別當白屑公主-頭皮菌種與頭皮屑之關係

本研究收集有頭皮屑的人與正常人之頭皮的樣本,探討其菌相並研究其與頭皮屑之關聯,經篩選與菌種鑑定後,發現頭狀葡萄球菌( Staphylococcus capitis)普遍存在於正常人頭皮上,而有頭皮屑的人較無此菌種,此結果顯示,頭狀葡萄球菌可能為對頭皮代謝週期有幫助的益菌。接著進行頭皮菌種乳化油脂的實驗,發現頭狀葡萄球菌的乳化油脂能力較頭皮上其他菌種:如藤黃微球菌( Micrococcus luteus)為佳,且頭狀葡萄球菌除了油脂仍需要其他碳源才可生長,非單靠油脂維生。最後探討洗髮精和界面活性劑(Tween20和Tween80)與頭皮菌種之抑菌作用,實驗結果發現洗髮精對頭狀葡萄球菌和藤黃微球菌皆有抑制效果,但界面活性劑對其並無抑制效果,推測抑制頭皮菌種的成分並非界面活性劑,而是洗髮精中的其他物質。

電子機械手義肢

以製作出價格便宜又輕巧的電子機械手義肢為目標進行設計。使用FPGA進行控制,搭配伺服馬達、彎曲感測器等零件完成功能。讓使用者可以完全複製另外一隻手的動作,或是使用肩膀控制電子手的張握。並且擁有以OLED顯示的圖形使用者介面,操作簡單容易。加上3D列印的手掌外殼,達到目標。