生活與應用科學科(一)科

一般國小的自然課堂上都是使用市售的吸管製作排笛的笛管，但如果封口的填充物不對，要吹出有音階的聲音很難，實驗可操控的因素也有侷限性。本專題的構想是利用3D列印機來製作排笛的笛管，找出管長、管壁厚度、管徑、管形對聲音輸出的影響，並和傳統的國小自然課常使用的市售吸管製作的排笛做比較，再依據實驗的結果利用Scratch寫出一支程式，只要輸入想要製作的音頻，就能計算出3D列印笛管需要的長度及可行的管壁厚度、管徑和管形，最後再利用3D列印出一支有音階規律的排笛，透過它能演奏一首簡單的歌曲。

本研究以CPR訓練模型輔具做為研究對象，根據專家說明CPR動作要正確純熟，除了依賴良好的教學輔具系統引導外，其功能上更需要有按壓姿勢的正確判斷，因此本研究藉助科技AI輔助，設計AI姿態辨識的智慧型高品質CPR訓練引導式教學輔具系統，經研究證實系統能逹到： 一、協助學習者熟練CPR的操作流程並解決訓練模型設計問題。 二、成功運用邊際運算功能提高AI辨識的速度。 三、拍肩反應、判斷按壓位置、深度更可利用壓力感測器及超音波感應器進行偵測。 四、能應用AI代替人類專家判斷按壓姿勢之正確性。 五、具專家模式且可獨立操作的CPR引導式教學輔具系統。 期望人人都能學到CPR正確操作技巧及爭取黃金復甦時間，搶救寶貴生命。

本作品自行開發組立氣體輔助彈性氣膜球實驗系統，並研製可調控之類複眼陣列結構母模具系列實驗設備，藉以複製出類昆蟲複眼之陣列微結構，並將其裝設於太陽能板上進行系統化的實驗，探討類昆蟲複眼之陣列微結構對太陽能板發電效率之影響。實驗過程中經探討不同實驗參數，對複製類複眼陣列透鏡成形性之影響(氣體壓力、週期、特徵尺寸等)，並找出對太陽能板發電效率最適合的結構條件。實驗結果顯示，類複眼陣列透鏡結構，其單一特徵形狀愈小、密度愈高(週期愈小)，其發電效率愈佳，本實驗條件下，發電效率最高可提升達7.86%，此外，本研究同時增能探討調控菲涅爾透鏡(Fresnells)聚焦方式，並獲得經最佳聚焦位置的獲得，將有助於對太陽能板發電效率提升。

因為市面上測溫工具都不具24小時連續自動偵測體溫及聯網功能，所以我們想用Arduino自製測溫裝置，且能遠端監控體溫情形、將發燒訊息傳送到相關人員的群組上。經過準確度、測溫速度兩個實驗，我們找到符合我們需要的兩種感測器，分別是接觸式的DS18B20和非接觸式的MLX90614，接著分別製作兩種感測器的架設裝置，接觸式的使用髮箍固定，非接觸式使用樂高來固定。並透過不同距離、溫度等實驗，最後得到最適擺放位置函數為D=2.85×R（D=感測器到水面的高度，R=容器半徑），利用motoblocky寫程式，Arduino esp32的聯網功能以及MQTT通訊協議等低成本甚至免費的資源，做出可在嬰兒發燒時，將訊息透過可亮燈響鈴的室內主機、以及line訊息通知兩種管道有效傳達給家長的裝置。

本研究主要是以Arduino為核心，製造出穩定度高且能自由開發各種智慧練球功能的桌球練習機。我從小喜歡動手拆裝機器和寫電腦程式，我的好朋友是桌球校隊，他希望擁有一台自己的桌球練習機，但是市售機器很貴，於是引發我的製作靈感。我以Arduino控制無刷馬達和伺服馬達閘門，使用 3D列印製作機身，再以手機藍牙App控制練習機，能發出不同速度的直球以及左右旋球，最後我加入腳架旋轉Arduino套件、人臉辨識及智慧練球模式（發遠身球及隨機出球功能）。穩定度的測試結果顯示：直球落點和左、右旋球皆穩定；選手測試心得都覺得新奇有趣。本研究的特點是首創智慧練球功能，兼具模組化、快速組裝、輕便、便宜、發球穩定的優點，可作為桌球校隊訓練設備。

現階段台灣有關多發性硬化症病灶分割相關研究付之闕如，但電腦視覺輔助醫療已日漸成熟。本研究新建構卷積神經網路，提出一套以深度學習為基礎，可自動辨識腦部核磁共振影像中，分割多發性硬化症病灶之人工智慧病灶判讀方法。本研究使用約翰霍普金斯大學影像分析與通訊技術實驗室授權提供之Longitudinal Multiple Sclerosis Lesion Imaging Archive資料集為訓練與測試資料，共151筆核磁共振臨床資料、39583744筆像素資料，並以IoU與dice係數為評估指標。經實證發現，本研究提出的方法，具有顯著IoU值，達0.8523，另dice係數亦較其他方法高，其值為0.9392，且在速度方面，禎數高達13.79。本研究成果未來可連結醫院之核磁共振影像資料庫，自動分割出核磁共振影像中多發性硬化症病灶，以利於早期診斷與治療。

夏日經常看到市場的阿公阿嬤在拍瓜聽音選瓜，令人疑惑拍西瓜真可選中好吃的西瓜嗎？正巧六年級的自然課中學到音叉敲擊時的聲音振動及頻率高低關係，引發我們的聯想：可以應用AI人工智慧的聲音辨識技術來正確辨識西瓜的新鮮／成熟度 ，甚至利用手機 App進行有效判別嗎？ 本研究中發現： 1) 不同位置的果肉，甜度也會有所不同；不論大小顆，西瓜中心果肉是最甜的部份；2)西瓜的密度與西瓜甜度無明顯相關；3)冬天西瓜放置兩週（成熟）可能達到最佳甜度，放置四週（過熟）甜度則大幅降低 。 本研究有兩項設計：1)製作一款固定敲擊力量的敲擊器；2)全國首創西瓜新鮮／成熟度辨識App，可以讓消費者方便地用手機即可挑選成熟好吃又甜的西瓜，這是本研究最大貢獻。

本研究針對身心障礙兒童設計具有趣味性、能練習不同動作的體感遊戲進行訓練。並致力確保這方案的順暢和可行性，改正軟硬體缺失，簡化製作流程，讓有需求的人能輕鬆複製、修改，發展更多有創意的輔具，幫助身心障礙兒童。 體感遊戲以Arduino搭配感測器，發送鍵盤指令控制Scratch。其中「切水果遊戲」利用超音波偵測手勢模擬切水果，訓練手部粗大動作；「瘋狂俯衝遊戲」運用傾斜陀螺儀和轉動光柵控制飛機方向和速度，搭配ESP32藍芽無線控制，訓練手腕、手指精細動作。 進行「轉移積木測試」評估，手眼協調和專注力較前測進步7％~56％。對兒童，這不是枯燥輔具練習，而是遊戲挑戰，受測者更有信心且樂於訓練，全程充滿歡笑。

觀察家中排出汙水中，近80萬條塑膠微粒來自洗衣間家用洗衣機。淨塑槽及鐵磁流體攪拌槽為滴濾式及攪拌式設計，組成家用洗衣機智慧塑膠微粒清除系統，濾網組使用物理性過濾攔截0.058mm以上的塑膠微粒，透過鐵磁流體攪拌器去除0.058mm以下塑膠微粒，八爪型攪拌槳大旋轉體積對於鐵磁流體與排水的混和均勻度最好，磁鐵與攪拌槳分離容易更換材料並便於進行鐵磁流體回收。Arduino掌控智慧節能系統及物聯網的運作，提供手機運作資訊，圖像式語言易於撰寫，透過伺服馬達轉動連結兩套系統，建構一套遠端監控智能運作的塑膠微粒清除系統，5分鐘可完成1.3公升之汙水清潔，聚酯纖維、尼龍、聚丙烯有接近100%的清除率。

看到校園屋頂的太陽能板，只能朝著單一方向接收陽光，但太陽會依據時間而改變移動路徑。若太陽能板能隨著日照路徑移動，則能增加日照時間與發電效果。本次研究是利用雲端試算表計算太陽角度與方位，再利用物聯網開發板操控馬達與液壓機構，調整太陽能板裝置的角度與方位，以達到自動追日的效果。過程利用問題解決模式進行研究，經過蒐集資料與不斷測試修正，歷經五代的實驗裝置，已製作出太陽能板自動追日裝置，並可實際操作。不同於使用光敏電阻偵測光源而移動裝置，本次研究裝置是不受環境光源影響，可精確對準太陽位置。因時間和成本有限，目前只能以小型太陽板測試，期待日後能製作出大型太陽能板追蹤裝置並增加綠能發電的效率。