全國中小學科展

第61屆--民國110年

「稻」高一「齒」、「磨」高一丈- 探討褐飛蝨的齒輪構造與運動方式的相關性

好奇褐飛蝨齒輪的秘密,實際飼養並觀察牠的身體形態與習性,進一步製作3D紙模型認識結構。以顯微鏡找出齒輪在若蟲後足轉節處,為正齒輪占轉節角度60~80度,齒數隨蟲體變大增加。成蟲沒有齒輪,轉節較若蟲大,腿節、脛節和跗節比例較長助於運動和抓握,六足連動跳躍時平均距離長,平面移動三足步式。驗證蟲體轉彎上下安全又省力,3D列印製作齒輪模型模擬蟲體運動,比對步足模式找出與齒輪相關性。若蟲腿部短、步行較緩慢,平面移動步足模式和成蟲相似;順逆時針轉彎以5或6足齒輪帶動其他足轉動。跳躍時轉節和5,6足開啟後,齒輪瞬間合起卡住,5,6足拉直跳躍。齒輪讓若蟲順利步行、跳躍逃生,推測是為了適應水稻的構造。

挑剔環

將兩組{ 1,2,…,n }任意排成環狀,若對所有數m ∈ { 1,2,…,n },m與m之間繞順時針的間隔數為m或繞逆時針的間隔數為m成立,則稱此環狀排列為「挑剔環」。

校園蒼蠅虎~雙帶扁蠅虎(Menemerus bivittatus)的生態調查和步足仿生設計

我們在校園裡的樹皮下發現雙帶扁蠅虎,發現牠的捕食、求偶、蜷縮步足姿勢非常特別,以顯微攝影進一步鎖定研究牠的步足,發現步足上有許多剛毛及細毛,並有尖端倒鉤和尖刺,讓雙帶扁蠅虎可以在光滑表面上快速地行走!雙帶扁蠅虎會先用身體一側的第一、第三對腳和另一側的第二、第四對腳;再用一側的第二、第四對腳和另一側的第一、三對腳的步足行走模式。快速行走應該跟四對步足的結構、關節構造都有關,觀察步足的蜷縮結構,測量出牠可以將身體從體長6-9mm,穿過2.5mm的縫隙,發現蠅虎的步足有很好的伸縮能力,特殊的關節膜結構,以及前附足的特殊功能等,期待將步足的蜷縮能力、關節膜特殊構造和移動方式,應用到生活物品的仿生上。

我家交通有順了

交通號誌具有指揮車輛通行路口的權力,藉由適宜的週期、時相、綠燈秒數之時制規劃,可有效增加路口汽車的通行量,解決不必要停等之交通壅塞問題。 緊鄰學校的五叉路口,是重要的交通要道。根據我們的路口影片分析,發現南來北往的車輛在交通尖峰的上班時刻,總是因為停等此路口號誌造成一定程度的塞車,致使部分車輛需要停等到第二個周期時才能通過路口,著實影響路口通行成效。本次研究透過系列性科學化的測量、計算與分析,我們提出路口週期再增加5-15秒時,共有25種新的交通時制設置方式,可使此路口通行量每秒增加0.268至0.737公尺,將能有效紓解停等紅綠燈的壅塞。

太乙飛豬的祕密~紙製有翼飛行筒探究

本研究來自於YOUTUBE網站很熱門的影片~「太乙飛豬」飛行器的好奇,太乙飛豬是一種以摺紙方式製成的紙製有翼飛行筒,以自由落體投放時,能出現滑翔前進、盤旋等狀況。研究以改良的製作方式及自製投放裝置,針對紙製飛行筒的製作方式、機翼有無及造型、筒身配重及造型等因素,進行飛行效果的定量實驗。實驗方式測量飛行筒投放後的飛行時間、距離,並記錄飛行軌跡、落點分布,配合簡易風洞及慢動作錄影,確認各項因素影響飛行效果的結果。研究結果發現「中空環狀、上短下長的有尾造型,及前緣適當配重」的飛行筒是造成穩定飛行的主要因素,可能因白努利定理產生升力,而機翼的構造反而不利穩定飛行,但能製造「迴旋」的飛行效果。

香胰子 - 咖啡因製作肥皂的可能性

本實驗使用了有機鹼、無機鹼和生物鹼以及月桂醯谷氨酸來行皂化反應,藉此製作出三種不同的肥皂。這三種肥皂皆以五種比例來製作,分別為酸鹼莫耳數比1:0.9、1:1.2、1:1.6、1:1.85、1:2.1,並進行肥皂性質的測試,分別為pH值、乳化穩定性、起泡性以及表面張力。由於咖啡因皂性質表現不佳,因此由酸鹼莫耳比1:1.85改良了鹼的反應物,製成由三乙醇胺與咖啡因做為鹼的混合皂,再進行肥皂各項性質的測試,並與市售肥皂進行比較。

探討狗毛再生紙的可實用性

寵物產業發展蓬勃,其中以犬貓為大宗,隨之而來的就是養寵物產生的垃圾處理問題,目前動物毛多被回收使用作為保暖衣物又或成為清潔海洋油汙汙染的工具,然而多數的動物毛仍被社會視為垃圾,因此有別於一般紙張由植物纖維來製作,本實驗將透過動物纖維來造紙,探討動物纖維造紙的可能性。本實驗針對不同比例的狗毛再生紙做吸水、吸油、保溫、書寫、耐摺度測試,找出較佳製作狗毛再生紙的比例;接著分類狗毛顏色,運用最佳比例製作彩色狗毛紙,探討狗毛紙張使用多樣性。最後發現狗毛紙張不易書寫,卻耐摺、保溫、吸油,動物纖維親水性較植物纖維差,故狗毛再生紙有很大的潛力可以作為書皮、包裝紙、保溫紙、吸油芳香等其他用途紙張。

基於深度學習之服裝試衣系統

本研究以AI虛擬試衣系統(Virtual Try-on模型)為主題,透過深度學習技術,並結合幾何匹配模型,最後開發出試衣系統,將使用者上傳的照片,模擬成穿著新衣的模樣。 首先,將人物原始圖片取出骨架節點,並生成人體遮罩以及保留人物頭部。而後將三個輸出合成為高維特徵圖。接著將目標替換衣物生成出依照人體姿態扭曲後的衣物圖片。最後於Virtual Try-on模型中,將人體高維特徵圖與扭曲衣物共同輸入,並經過運算後合成出穿著目標衣物之人體圖像。本研究結果發現,人物站姿單純,且雙手緊貼身側,以及拍攝角度為正面、衣服款式為短袖、背景色彩對比度較高與衣服圖案單純的原始圖片得出的結果圖片與測試圖片相似度較高。

自動機電控制拉張結構平衡桌

本研究利用開發板Micro:bit與拉張結構,製作可自動平衡的桌子。我們依桿弦相對位置,將拉張結構分為兩種,並且探討這兩種拉張結構的平衡與承重力。依照結構承重能力均勻與否以及結構是否容易達成平衡,採用型二拉張結構(指弦在上面,以桿支撐整個拉張結構)為自動平衡桌的主體。自動機電控制的程式部分採用決策樹的邏輯策略取代數學上的繁雜運算,達到自動調整伸縮桿,取得桌面平衡,並期望可延伸到生活上相似環境下的應用。

「你是我最甜蜜的量子糾纏,讓我們還給這世界一彎乾淨的河水吧!」-物聯網智慧濾水裝置

工廠所排放至河川中的工業廢水會對我們身體健康造成危害。本研究是提出一款具備自動替換濾心功能並結合IoT概念的濾水裝置,本設備是從化學、硬體與軟體三個面向進行整合。首先我們以具備高孔洞性的海藻酸鈉晶球,固化可用於吸附重金屬離子的吸附劑-幾丁聚醣[1],製作出一款適配於我們濾水裝置的濾心,能在軟硬體兼備下藉EDTA脫附而達到自動替換濾心的功能。本設備崁入具高度自動化的程式,能在無人操作情況下,實現自動監測及水質分析,此外,以簡單可視化的網頁的方式呈現給使用者瀏覽。本設備的硬體則是與軟體搭配而成的高客製化成品,相較於目前市面上的現成硬體,擁有更小的體積及更低廉的價格,且能針對本研究的需求,作到最佳化的設計。