全國中小學科展

生活與應用科學科(一)科

預見土石-土石流偵測系統

隨著地球暖化、氣候異常、暴雨再加上台灣地處地震帶,土石流的發生就更加頻繁,利用科技進步之便,可以保障每個人生命財產的安全是非常急需的工作。 此次研究製作的偵測模組,使用台灣自行研發的Web:Bit開發板¬、Arduino開發板和樹莓派開發板,透過自製的光纖感測、水銀開關檢測與影像判別等3種模組,獲得土石流發生時變異的光電訊號或影像訊號,確認土石流的產生。同時為提升土石流發生判別與影像識別效能,我們也研發了濕度偵測與自動開關燈之系統。除了比較這三種模式的靈敏度, 可透過手機LINE、電子郵件發出警報,並連結YouTube觀看實際狀況,期許未來可以廣泛運用於各類土質,減少土石流造成的傷害。

海潮之聲-天然海螺音箱

軟體動物許多科別的貝殼具有彎曲的號角結構。經篩選合適形狀、大小、種類,以大白蛙螺、夜光蠑螺、椰子渦螺、栗色鶉螺四種材料進行研究,利用X-ray拍攝貝殼透視圖,進行平面測量內部結構與聲音通道的長度;切除塔尖,埋入藍芽喇叭製作成貝殼音箱。播放無和弦版本鋼琴演奏樂曲,隨機選擇聆聽者表達主觀感受,並且客觀使用儀器檢測。結果顯示以貝殼製作的音箱,能夠有效將聲音擴大,而音頻沒有顯著改變;透過轉換,將聲音轉換成聲紋圖圖象化顯示,證實貝殼音箱導致聲音在通道內產生交疊干涉,使音色大為改變。聲音的響度與音調,可以使用儀器客觀證明,科學儀器可以證明音色不同,但無法給出何種音色屬於好聽,音色終究歸於個人喜好。

定向傳聲應用在故障及前後車濃霧雨天警示輔助裝置

2021年2月台61線快速道路發生21輛車連環追撞車禍,共計2死8傷,初步研判濃霧視線不良,未保持安全距離。目前先進車輛有AEB/ACC使用影像辨識及測距雷達,但是大雨除視線不佳外雷達也容易有雨衰,影響偵測可靠性。我們找到高能量高指向性的超音波陣列定向喇叭TG-40SP如圖13所示來實驗,用它實際做雨天、濃霧、晴天的發射接收實驗,證實超音波定向傳聲符合學理所述雨天濃霧接收比晴天為佳。我們改裝汽車超音波前測距雷達,自製一套小型發射警示輔助系統,經模擬測試效果良好,本研究已獲中華民國新型專利,美國專利正申請中,希望能得到監理單位認同列入基本配備,讓雨天、濃霧行車更具安全性。

無紙袋吸塵器除塵技術運用於室內空氣清淨之研究

本研究主要是希望將「無紙袋吸塵器」之除塵技術應用在室內空氣清淨之上。 首先,選定PM2.5為空氣汙染檢測標的。然後,利用電腦課學習之Arduino套件,編寫程式並組裝SHARP PM2.5感測器。 接著,探討無紙袋吸塵器之除塵原理,並改良結構以應用於空氣清淨。 研究發現:設計良好之「氣旋除塵筒」,確實有很好的清除PM2.5效率。清除PM2.5效率良好的氣旋除塵筒:1.能產生結構札實的氣旋結構、2.直式比橫式效率高、3.加長氣旋除塵筒長度能夠增加清除效率、4.抽氣孔與進入室內空氣孔分開,並將抽氣孔位於側邊可以增進清除效率、5.增加風扇風力也可以增加清除PM2.5的效率。

應用機器學習實現家務輔助機器人-以收玩具為例

經過調查發現有幼兒的家庭,共同困擾是「玩具亂丟」,目前市面上沒有產品能解決此問題,本研究利用機器學習技術,以自動收玩具為例,研製可協助整理地面雜物的家務輔助機器人。本研究結果發現圓型內置2輪底盤有最佳室內移動效果,觸碰避障有100%避障成功率,夾具可夾取並攜帶2至14公分範圍的玩具或物品,視覺感測模組最佳安裝角度是60度,最佳辨識距離為14~16 公分,統整以上結果作為設計依據,採用邊走邊找法於不同環境實測,在界定範圍內可達到83.33% ~ 98.33% 的收玩具成功率。我們利用無線電波訊號強度設置虛擬圍牆及基地範圍,結果顯示可達 63.33% 的折返成功率及55% 的收玩具成功率,主要是無線電於室內短距離空間,無法精準定位所致,持續改進將可達更實用等級。

鑑色~藍染動力進行式

傳統藍染,染個深藍的布,要反覆浸染洗個二、三十次才行,而每一次的洗滌,都是藍水對環境的污染! 我們設計的鑑色儀,光敏電阻吸光儀使各色光照射比色管溶液,讓光敏電阻感光後,測量串接的電阻分電壓大小,可製作檢量線定量染液濃度;染布鑑色儀則是以GY-33顏色感測器校正後,測出同區塊面積的色布RGB值,再以線上顏色代碼轉換工具,轉換成HSB 值來分析染布顏色。 我們創新研究出藍染水車的動力機構,不僅可比較出不同水位、負載物的氧化還原轉速,也成功的加入順逆轉軸之動力輪替,解決長巾藍染不易的問題。 非接觸式的光遮斷感測器精準量測水車運轉時間、簡單比較增加風速或溫度可加速氧化之定色等,讓精準快速的藍染文化成為可能。

Do It Myself – 智能射箭訓練系統

為了精進射箭的能力,我們開始研發「智能射箭訓練系統」,並透過該裝置判斷舉弓、拉弓、放箭速度等數值,讓使用者能清楚地知道現在的姿勢是否有達到射箭時的標準動作。本實驗分為四個大方向進行操作:穩定、力量、精準度、以及計分靶。為了找出符合選手最合適的射箭動作,我們另外以一名選手的舉弓高度(130cm)及拉弓距離(57cm),做出固定射箭模擬器。透過該裝置發現:該選手於10公尺距離時,傾角 -1.2 ~ - 0.2度能夠命中九分的範圍。除此之外,我們用紅外線感應框、投影機與scratch程式製做出互動計分靶。透過裝置,便可以快速紀錄下射箭時的分數和落點。我們將整個設備整合為成完整的智能射箭訓練系統,供使用者能夠快速且精確的矯正自己錯誤的射箭姿勢及方向。

隔空點穴--使用ChatGPT與手掌辨識實現穴位保健之研究

本研究開發一套結合ChatGPT4.0和手掌辨識技術的虛擬保健助理系統,用於實現穴位按摩的自我保健。第一步:文獻分析依《刺灸新法》和《針灸科學》作為穴位依據,設計一系列提示詞(Prompt),在多次實驗中,提示詞Prompt E(基礎框架結合COT與RAG)的準確率達到91.1%,精確率和召回率分別為100%和91.1%,也大幅降低幻覺現象。第二步:設計穴道定位演算法標示穴道位置,並邀請兩位中醫師協助檢視,提出建議與修正,使修正後的程式能夠準確標示穴位。此系統具備低成本、易推廣和普及中醫知識的潛力,可在各種場所設置,提供即時的穴位按摩建議。未來將優化提示詞設計、比較不同語言模型的精確度,並開發其他部位的穴位辨識系統,以提高自我保健的便利性和準確性。

「弦」來無事測測看

網路上流傳一段影片,影片中的鴿子不用拍動翅膀就可以飛,「頻率」是造成這現象的主要原因,只要攝影機拍攝的影格率和某個東西週期性運動的頻率相似,就可看到類似時間暫停的現象,稱之為特定運動頻率。自然課學到弦的振動影響聲音的高低,但弦振動太快看不清楚,是否也可以用時間暫停的原理,來看清楚弦的振動? 本實驗使用了micro-bit和紅外線感測器來測量圓盤的轉速,圓盤上的開孔可讓光線閃爍,光線照在金屬琴弦上,閃爍的頻率如果和弦振動的頻率一致,就能清楚的看到弦的振動波形。

青銀共好AI智慧宅

本作品主要是以節能、安居、健康為三大主軸,建構一個AI智慧宅。節能部份所設計的「智能窗簾」,可依光線強弱適時調整室內亮度;同時也設置「智慧插座」,當用電超標時,系統會即時通知人員處理,也可利用MQTT Dashboard控制及查詢。另外自製「AI人臉門禁」,偵測成功便直接開門,若偵測到陌生人時,能直接發送LINE通知屋主,確保居家安全。並搭配LINE-BOT所建立的即時監測系統,能馬上查看家裡的空氣品質及長輩的血氧測量狀況,而「AI藥盒」讓用藥者 以「人臉辨識取藥」,所取得的藥物也能立即AI辨識查詢。經所設計的辨識實驗,在室內有開燈,輔助光源為白光辨識藥物效果最好。並開發出網路版及單機版的兩種操作模式,讓藥物管理更有效率,藉以保障家人的用藥安全。