生活與應用科學科(一)科

近年來海洋受到人為垃圾污染日益嚴重，其中又以塑膠污染最甚。為了減少海洋垃圾並為環境盡份心力，我們製作海洋吸塵器，經過第一、二代海洋吸塵器改良，研發第三代海洋吸塵器，其特點為使用壓克力板做為機構材料，並在吸水口旁裝上濾網，垃圾不會隨著海浪漂出。然而機構內水排出後變輕而浮於水面，造成排水的水流打擊到水面產生壓力，進而產收吸塵器下沉等問題，最後決定採用固定式。 將海洋吸塵器搭載固定式太陽能板進行發電時，當太陽入射角度改變，可能會造成日照不足而無法發電的問題。為了改善此問題，我們決定將太陽能系統改為追日式，使用ardublockly編寫Arduino的程式，並加入光源感測器，讓太陽能板保持與太陽入射角度垂直，使其發電效率達到最高。

此研究是利用溫差發電晶片(SP1848-27145)的特性，將日常生活中額外產生不必要的廢熱收集起來轉化成電能，為環保盡一份心意。此研究與其他相關溫差發電實驗最大的不同之處在於溫差發電晶片的”熱面”並非直接接觸在熱源之上，而是透過導熱材料將”廢熱”引導出來。至於溫差發電晶片的”冷面”則是透過環境溫度或是保冷凝膠墊的方式進行被動式降溫。此外，由於熱能是透過導熱材料傳導過來的，如何在傳導過程中有效地將”熱”保存起來提供給溫差發電晶片(SP1848-27145)熱面使用，以及溫差發電晶片組不同的排列組合方式，均為本研究主題所要探究的項目。

印加果是高營養價值的植物果實，富含Omega-3與必需脂肪酸近年來逐漸被重視，但是開殼仰賴人工，人力成本成為推廣的最大阻礙，因此著手研究印加果的開殼機構研究，期許能為人類攝取植物營養提供進步的動力。研究成果分為：1. 整顆果實分離成單一粒果實的研究、2.單一粒果實開[外殼]的研究、3.單一粒果實開[內殼]的研究、4.果實與外殼分類處理的研究，5.整體機構在機電整合與資訊處理的研究，6.開殼機構最佳化整合的研究上等等。針對開殼與分殼的方法有：打拋、捶壓、折返震動、刀具、夾壓、高壓氣流、離心旋轉等等作為實驗的研究變因。與傳統人力相較，我們能夠更快速、更加省時省力的開殼與分殼，為印加果自動化生產的路程上，立下了新的里程碑。

政府歷來致力於科技農業的發展，結合學術單位與民間團體，共同研發新的農業技術，我們雖只是國小階段，一樣可以結合科技解決家中農事的困擾，學生發現農民驅趕麻雀的方式並不十分有效，且在網路上搜尋到可利用雷射筆來驅逐麻雀，便決定製作出全自動的驅鳥裝置，為顧及環保與方便性，決定利用太陽能供電，以達到省能源、省人力的目的。 從草創到成品，做了三次變更，期間提升了供電系統，使蓄電時間少於持續用電時間，也檢視出雷射筆直射效能優於反射效能。使其具備穩定的太陽能供電，且透過直射可使影響範圍達約半徑120公尺的圓形面積等特性，期望此裝置能成為輔助農民驅逐麻雀的利器，甚至未來解決大樓或廊道鳥類築巢製造髒汙等問題。

本研究旨在找出轉速最快的垂直軸扇葉，運用學校常見廢棄品，設計一套能發電的裝置以探索扇葉、風和電力的關係，獲致結論如下： 1.扇葉數量為5葉時，自製垂直軸發電機輸出電壓的平均值最高。 2.扇葉支架長度為20cm時，自製垂直軸發電機輸出電壓的平均值最高。 3.扇葉大小為20cm x 20cm時，自製垂直軸發電機輸出電壓的平均值最高。 4.扇葉轉置角度為165度時，自製垂直軸發電機輸出電壓的平均值最高。 5.所有變項皆會交互影響，調節受風頻率、受風角度的最佳組合可以取得自製垂直軸發電機輸出電壓的最高值。 本研究相關3D模具將在比賽後公開在https://tinyurl.com/y2emzt3h，讓接續本研究內容繼續前進的科學愛好者，能直接打造一組強力的風力發電機。

現代科技日新月異，許多人慢慢的接觸了程式設計，例如：Scratch、mBlock、micro:bit。我們的研究以micro:bit作為程式設計，先探究生活中物品的導電性，再以這些可導電的物品加上micro:bit的程式設計，運用「琴鍵編碼表」的邏輯概念，以最少的接線，設計出以下三種可攜帶的科技鋼琴：1、西卡紙與導電材質結合；2、塑膠鍵盤與導電材質結合；3、木片與導電材質結合。只要輕輕的按琴鍵，就可以彈出一首優美的簡單樂曲。為了突破微鋼琴的琴鍵數量限制，我們增設降8度及升8度鍵，可增加彈奏的音域。另外我們也運用了micro:bit板子上的A和B鍵，一按A或B鍵，micro:bit就會自動彈出一首歌曲，非常有趣。

有臭臭味的天然沼氣是一種混合氣體，其產生與廚餘和甲烷菌的厭氧化學反應有關，屬於生物化學的一部分。在甲烷菌吞噬廚餘的過程當中，可以將廚餘轉換成可利用的天然沼氣(主要是甲烷)，是較為環保且潔淨的再生能源。沼氣是看不見的氣體，若無特殊的器具，是無法知道在沼氣生成時，周遭的環境發生了哪些變化。因此我們利用人工智慧(AI)軟體–mblock編輯程式，加上編寫甲烷和廚餘酸鹼(pH)值的量測程式，監控收集沼氣時的實際狀況，判斷沼氣收集的時機。透過數據的分析，定義出沼氣最佳的生成條件。實驗的結果顯示，發現在沼氣生成的過程中，廚餘會先酸化，pH值會先降低，然後趨於穩定。在我們的測試中，澱粉含量較高的廚餘搭配購買的粉體菌組合，可以產生最多的甲烷。

本研究的目的是探討：運用人工智慧輔助設計風力發電機的葉片，以提升發電的效率。我們從二維葉片剖面出發，以NACA5410翼型為原型，利用XFoil翼型設計軟體與人工智慧找尋最佳升力與最佳升阻比之剖面形狀，經由風洞實驗得到理論值與本文實驗具有相似的趨勢；接著我們基於該剖面形狀用3D列印製作了長方翼，實際裝上發電機後也證實，最佳化後的葉片顯著比原型表現更好；我們接著把實驗擴展到三維，即漸縮翼與翼尖小翼，透過實驗證實這些技巧對於風電效率有顯著的助益；而除了幾何形狀外，因配重可儲存動能的特性，我們也探討葉片設計的結果對配重的影響；最後，由於最佳升阻比之葉片有較低的能量損耗，排列風電機組的組合也得到更好的效果。

天氣預測是攸關人類生活的大事。目前天氣預測主要利用大氣氣壓、溫濕度、雲層等參數資料來進行天氣預測。為達到低成本及小範圍之天氣預測，本研究利用物聯網的『眼睛』-樹莓派相機來觀測雲層，配合Arduino感測器蒐集到的氣象參數輔助，以預測30分鐘後降雨的機率。本研究採用卷積神經網路(Convolutional Neural Network, CNN)來進行模型訓練，首先將雲層圖片提取RGB特徵向量，配合氣象資料輸入模型以進行模型訓練，所訓練之模型可即時預測未來降雨的狀況。本研究進一步以精密度、召回率、F-measure、及混淆矩陣來驗證模型成效，準確度皆達80%以上，證明本研究訓練之模型預測降雨的準確性及可行性。

目前3C產品普及導致國人視力不良，近視比例已是全球排列前茅國家，防範學齡者用眼過度繼續惡化，學校每學期初實施視力檢查以追蹤狀況，受檢過程都採用人工出題與檢核結果，全校學生檢測往往相當費力。本研究撰寫APP檢核程式安裝教室聯網電視做為出題顯示幕，並製作無線手持遮眼面具取代傳統遮眼棒，受檢結果運用物聯網技術傳送Google試算表，取代傳統紙本記錄方式並自動標註視力不良者，在研究過程針對作品檢測準確性，以整班學生進行受測比對，對於APP檢核程式有不恰當之處給予修正改良，找尋最佳解決傳統視力檢查方式。