第61屆--民國110年

本研究的目的是要設計海洋漂浮垃圾收集器，研究中第一代的主機採單螺旋、收集器採浮桶式設計，但浮桶的設計遇到水的浮力過大及容易進水的問題。經過改良後，第二代的主機維持單螺旋、收集器改為網撈式設計，但降低主機桶身高度和捨棄浮桶的設計以減少浮力，卻因網子在水中的阻力過大造成網撈無法旋轉、主機自轉的問題。第三代的主機改為雙螺旋、收集器維持網撈式，雙螺旋主機使主機不自轉、網撈旋轉，且網撈進行七大改造並在內部加裝長形邊框，最後在實測中成功收集球狀、長管狀及片狀等三種形狀的塑膠漂浮垃圾，實驗中發現：同一長度的邊框都是以球狀漂浮物乒乓球的收集成效最高；不同形狀的漂浮物收集成效最佳的長形邊框，其長度則各有不同。

leidenfrost effect”是水滴能在熱表面產生蒸氣層並隨機跳動。我們便設想利用此特殊蒸氣層達到讓水滴往固定方向前進，甚至優化其加速結構。 我們設計 (角度θ=30°、45°、60°)×(高度h=1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm)共9種具數學意義的微結構。測量微結構在(160°C -350°C)溫度下水滴的速度、生命週期，並獨創「珠光粉慢動作攝影」研究形變、熱流。 我們提出未有文獻紀錄的空腔體積、有效接觸面、水滴外部形變機制、內部熱流循環等機制。利用上述資訊建構運動模型，發現θ=60°、h=1.0 mm水滴有最快的速度。且發現高溫段(表面溫度≥300℃)，任何微結構，生命週期差距都極小。我們獨創性提出水滴在微結構下“leidenfrost effect”數學模型，理論值與數據吻合，成功解釋水滴的運動機制。

二維碼在我們的生活處處可見，不僅比一維碼儲存更多資訊，我們還可以利用智慧型裝置讀取，快速又方便，我們想利用這樣的特點在導盲磚上設置二維碼，配合導盲手杖安裝智慧型裝置。我們挑選二維碼中的QR Code來進行實驗，先從QR Code的由來、基本架構和製作方式加以觀察試作，接著探討改變它的各項元素：QR Code的內容形狀、配色、遮蔽讀取情形，接著把QR Code轉換成貼在導盲磚範圍大小上進行研究，再加上安裝智慧型裝置在手杖上的距離與地面夾角的實際測試，歸納出安裝具有QR Code導盲磚，配合手杖上的智慧型裝置，讓視障者能用聽的就知道現在所處的位置資訊。

本實驗目的在探討彈性棒狀體受剪應力的效果。觀察碳纖維棒在水平放置時，給予剪應力作用所產生的變形及振動。我們發現碳纖維棒在截面積大、長度短、受剪應力較大時，會產生較大的剪力彈性係數。此外在碳纖維棒長度越長時，週期及振幅越大。剪應力越大時，週期不變且振幅變大。向下角度越大時，週期不變且振幅變小。無論何種情形下，左右振幅皆大於上下振幅。當擺動物體重心遠離受力點且受力與碳纖維振動方向相反時會產生共振效果。而擺動物體重心靠近受力點且受力與碳纖維振動方向相同時會產生共振效果。週期0.6秒的擺動物體上，半徑為0.3mm、長度為24cm的碳纖維棒會產生最佳的擺動效果。

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。

我們探討紫蘇作為植物染的可能性。首先分析其主要成份，發現葉子中的花青素、葉綠素B、葉綠素A與胡蘿蔔素很明顯，花朵的成份則不明顯。我們將紫蘇液各滴入檸檬酸（C6H8O7）與氫氧化鈉（NaOH）水溶液中觀察顏色變化，訝異的是紫蘇液在酸中，會呈現粉紅色及茶色系；紫蘇液在鹼中會呈成現黃色及深褐色系。 我們將紫蘇液置於胚布、濾紙、廚房紙巾中比較，調整布和紙與水面的仰角從10度到90度，應用毛細現象原理探討上升高度，為求實驗準確性共實驗18次。發現胚布上升的高度與速度，均最低、最慢；濾紙上升高度與速度，均最高、最快；廚房紙巾上升高度與速度，均次之。我們以紫蘇液DIY熱染漸層T-shirt，發現染過的T-shirt不易褪色，真是既環保又經濟的效用。

當球落下至安全平網時，彈簧秤、繫繩角度，以及網面都會有變化。我們先製作不同設計的安全平網網體，利用彈簧秤測量繫繩拉力，再利用雷射筆反射軌跡法測量球落下的衝擊力，並利用Arduino連接超音波測距器來測量網面下陷程度，驗證雷射筆反射軌跡法的準確性。再來我們利用球的位置變化來算出有、無安全平網時的衝擊力，並用透明塑膠球裝顏料水觀察受力情形。實驗結果如下： 一、球由越高的高度落下，衝擊力越大，水的震盪越明顯。 二、衝量越大，衝擊力不一定越大。 三、有安全平網時，會比直接撞擊桌面、軟墊還安全。 四、理想的安全平網是以較有彈性的材質做為邊繩、外圍框架撐平網面、繫繩數量較多、適當大小的網面，以及網孔稍小為佳。

本研究探討「a平方－h是b的倍數，b平方－h是a的倍數」→「a平方＋h是b的倍數，b平方＋h是a的倍數」，發現若將前者的首項設為h－1，第二項為首項的平方－h，則其正整數解(a，b)會構成一數列且滿足遞迴式「第n＋2項=(h－2)*第n＋1項－第n項 」；若將後者的首項設為1，第二項為h＋1，則其正整數解(a，b)會構成一數列且滿足遞迴式「第n＋2項=(h＋2)*第n＋1項－第n項」。在探討「a平方±nh是b的倍數，b平方±nh是a的倍數」時，發現其解數列也滿足遞迴式「第n＋2項=(h±2)*第n＋1項－第n項」，其中新第n項=(n的正平方根)*原第n項。

試管鉛直向下碰撞時，可產生高直液柱，我們稱為「一觸即發」現象。研究發現：試管下落期間，管內液體所受的等效重力發生改變，放大毛細作用，使接觸角變小形成半月形對稱空腔，碰撞時液面迅速回彈形成液柱。其中，接觸角與液體種類、管壁狀態、試管加速度有關；液柱的產生則與接觸角、液體黏度、碰撞狀態有關。汞的一觸即發現象尤其特別，可透過二次碰撞激發液柱。若以連續振動將一觸即發過程重覆延伸，發現振源和介質振動頻率並不同步，當振動機驅動頻率約為液面振動頻率的兩倍時，可持續產生共振液柱且可對應到克拉尼振動模態。當模態(m, n)為(0, n)且n∈N，為產生中央液柱必要條件，若此時迅速放大振幅亦可誘發「一觸即發」。

創作爬樓梯機器人時，我們先進行校園樓梯實測，發現學校樓梯高度介於13~ 17.7 cm，材質也不一樣，小組決定以學校數量最多的樓梯尺寸為基準，進行實驗。查詢市面上爬樓梯機器人的構造，發現車子的電力、扭力要夠大，輪子形狀至少3個輻條以上，前後輪的車軸距離要在兩個階梯的斜邊頂點以上，接觸點的摩擦力要足夠，才能避免下滑。 因此，小組決定將爬樓梯機器人原型設計成車子的結構，讓輪子能與地面有較多的接觸點，上方也可以載物，讓實用性提高。結果發現最佳組合： 1.車身設計：山型車身、彎曲角度130度。 2.車輪大小：車輪直徑＞樓梯高度1.5 cm以上。 3.車軸設計：輪距前寬後寬、軸距＞樓梯斜邊長+前輪直徑。 4.載重位置：身體前上方，靠近馬達10 cm處。