全國中小學科展

第64屆--民國113年

以牙還「鯊」:AI影像辨識鯊魚牙齒化石

台南左鎮菜寮溪和玉井曾文溪邊過去幾十年不斷有鯊魚牙齒化石出土,例如:大白鯊、虎鯊、公牛鯊、甚至還有已滅絕的史前最巨大鯊魚巨齒鯊的牙齒化石(生存於2,300萬至260萬年前),民眾採集到一時很興奮,但沒有專家一旁協助辨識鯊魚牙齒化石的種類,卻仍舊很苦惱!因此我們嘗試設計全國第一款有效易用的鯊魚牙齒化石分類手機 App,幫助民眾使用身邊的手機就可以快速辨別鯊魚牙齒的種類!本研究開發的 App 在博物館以及野外實測時可以有效地辨識七種鯊魚牙齒化石,並提供相關資訊和影片,具有實用性,以及「鯊魚小博士」二元樹互動學習的功能,讓使用者可以更有趣地學習鯊魚的知識,深具教育意義,並且在實驗室實測完整及破碎化石可達到92%和88%的正確率。

進擊的「葉」電~光化合一的葉綠素電池

本研究為新型改良式葉綠素電池,兼具化學電池與染料電池的優點,是具有成本低、體積小、可自行替換凝膠並重複使用,能解決傳統電池液外漏及電極成本高的問題,是有潛力與發展性的綠色能源電池。本實驗結果顯示,新型葉綠素電池結構的特點,具有一體成形的外殼,選用石墨碳氈與鋁棒當電極,中間填充最佳比例的碘酸鉀、碘化鉀、葉綠素和水晶凝膠,在手電筒的照光下,電解質經化學反應可自行生成碘,可作為葉綠素電池的第二個電極,其發電效率是歷屆科展之冠,電池編號10的瞬間電壓與電流可達1.07伏特與38.4毫安培,其電池壽命在209小時,電壓亦可維持1 伏特且電流隨時間增加可穩定發電,可應用於緊急充電與LED 燈泡照明使用。

蚤必投光?水蚤趨光行為及其可塑性研究

本研究探討水蚤Daphnia pulex趨光行為的可塑性與各運動數值差異,藉自行開發的YOLOv8模型追蹤多隻水蚤的移動軌跡,並使用tracker軟體分析數據。證實了ByteTrack多目標追蹤演算法在生物研究中具有重要的應用價值,尤其適用於微小生物運動研究,為微觀尺度生物研究領域帶來了新的貢獻。研究顯示水蚤傾向趨光,水蚤日齡越大、光強度越強、光波長越長,和黑暗前置都會使水蚤在趨光測試中移動速度增快。遺傳和生長環境皆會影響到水蚤對光線刺激的行為反應,並發現水蚤在利他素或模擬掠食者的環境下,趨光偏好明顯轉變。趨光水蚤面對掠食者擁有更高逃脫率,並意外發現了水蚤禦敵時會行繞圈運動。此外,在水蚤基因體中發現多處與果蠅的rhodopsin蛋白高度相關的序列,值得未來進一步研究。

藥命時刻-天然環境農藥降解與大範圍消除方法研究與討論

本實驗研究常見除草劑「固殺草」的降解與檢驗,同時利用各種物質與方法嘗試消除農藥,並尋找消除農藥「固殺草」最佳方法。 本研究發現:藉由產生「親核取代反應」(Nucleophilic substitution) 能有較佳的消除農藥效果,並且當環境物質含有越多量的胺基酸與維生素時,其消除農藥效果也越好。 根據實驗結果,我們利用環境中易取得的物質,自製簡單、便宜的農藥消除劑,用來協助農民與一般民眾消除農作物上殘存的農藥,並根據實驗結果可以在極短時間內達到去除99%以上的農藥殘留,期望幫助民眾遠離農藥的毒害。

驚「掏」駭浪—消波塊與沙灘地形對沙石掏空量的影響

本研究使用水槽、自製造浪器,模擬海岸環境,探討消波塊的擺放角度、擺放密度,以及沙灘的水深、坡度、波浪強度(造浪器頻率),對沿岸沙石侵蝕面積的影響。利用image j 分析在不同因素下消波塊周圍沙石侵蝕之面積,以及其隨時間的變化。研究結果發現,在不同擺放角度中,消波塊之兩角面向波浪時(本研究定義為0度)其下沙石侵蝕面積最大;在擺放密度中,發現擺放越多的消波塊,其侵蝕面積越大;在沙灘水深不同時,當水深越淺時,其侵蝕面積越大;當沙灘之坡度越大時,其侵蝕面積越大;當造浪器之頻率越大時,其侵蝕面積也會增加,而計算體積時,發現在不同擺放角度下,掏空的體積與侵蝕面積成正相關。

上皮細胞黏附分子(EpCAM)與Dabrafenib對未分化性甲狀腺癌(ATC)進程機制之探討

上皮細胞黏附分子(EpCAM)與上皮細胞間黏附、信息傳導、增殖與分化等功能有密切關係,已被證實會在多種上皮癌細胞中大量表達,被視為一種可行的臨床標記。透過細胞群落、細胞存活率、細胞轉移與侵入試驗,觀察到EpCAM能增強未分化性甲狀腺癌 (ATC)的細胞增殖、生長、轉移與侵入能力。 此外實驗發現 dabrafenib小分子抗癌藥物處理的ATC,其細胞增殖、生長、轉移與侵入能力均有下降的趨勢。藉由西方墨點法發現,磷酸化ERK蛋白的表現量隨dabrafenib濃度的上升而逐步下降,顯示dabrafenib具有抑制ATC細胞訊息傳遞路徑中ERK蛋白磷酸化的效果,進而影響ATC的生長。因此若能進一步了解EpCAM和dabrafenib在癌細胞中的作用機轉,EpCAM相關藥物與dabrafenib未來在臨床應用上,或許能為ATC患者提供另一種治療方式。

莖聲尖叫–探討被子植物在受到傷害時的超聲波差異

本研究在了解不同植物受傷時是否會發出超聲波,及超聲波頻率是否會有差異,我們將被子植物莖切斷後,使用自製超聲波感測器接收植物在受到傷害後發出的超聲波數據進行分析。實驗結果發現,植物在受到切斷這類的物理傷害時,會間斷地發出60分貝以上的超聲波。單雙子葉植物不同的維管束排列,並不影響植物發聲的狀況,而是跟植物種類的個體構造差異有關,維管束的數量越多,發出超聲波的次數也越多;維管束面積比例越高、發出的超聲波頻率也越高。最後我們推論植物超聲波的產生,主要是維管束切斷時導致水分運輸速度不同而產生的水錘效應,及木質部斷面水分蒸發產生的空氣柱有關。這樣的超聲波可能對周圍的植物產生警示並進而調節生理機制。

圓緣相連-關於忍者通道性質的探討

本作品由2023年IMO的第五題出發,希望探索在忍者通道中的其他性質,首先思考改變每排中放入的球數並觀察規律,進而推廣到三維圓圈塔中的性質,最後使用hyper cube(超立方體 的情況進行一般化的推廣與構造的優化,完成最小值問題的求解另外也對於特例部分探索解的總數。

「鳳」中奇緣–探討鳳梨牛奶的反應情形及其應用

鳳梨牛奶會產生結塊的主因來自鳳梨酵素會和牛奶中的蛋白質反應。研究發現鳳梨果肉所含蛋白質比果心多、抗氧化力亦高於果心,pH值則與果心無明顯差異。另測得酪蛋白還原碘能力最佳,清除DPPH自由基及還原力則分別是乳清蛋白及牛奶最佳。將相同pH值的鳳梨汁、鹽酸及醋酸加牛奶鳳梨汁能產生顯著沉澱,而酸和鳳梨酵素與牛奶反應的產物不同,會進而影響澄清液的pH值變化。此外,鳳梨酵素在果心部位活性較高,經60℃處理果肉汁及80℃處理果心汁與自行萃取的果肉酵素對蛋白質反應性較高。由於鳳梨水解酪蛋白較醋酸水解酪蛋白的抗氧化力佳,且反應愈久、還原碘的能力愈好,我們嘗試將鳳梨水解酪蛋白加入海藻酸鈉形成薄膜,但抗氧化力會隨時間漸減 。

應用多任務學習神經網路建構可識譜六孔竹笛機器人

本研究目標在建構可以識譜及吹奏中國笛的吹笛機器人。中國笛演奏必須協調吹法及指法;藉由控制吹氣流速、吹嘴角度及六指按壓音孔的變化來控制音高以完美地吹奏樂曲,是一項複雜的演奏技術。機器人以模擬吹笛口型的吹嘴,搭配兩個風箱往復送氣到一個壓力調節風箱送氣,以微控制板控制六個機械手指來蓋放完成演奏,為在音尾可確實止氣,設計一個風門,利用風門開闔也可模仿吐音技巧讓笛聲明確發音。辨識樂譜方面收集樂譜樣本,樣本分成譜線、音符、節奏三套,透過多任務學習MTL的深度學習架構進行訓練,建構可以辨識五線四間及二、四、八分音符的樂譜辨識模型。經測試若樂譜在符合音域範圍內,可以完整的辨識,轉換成音符資料傳送給吹笛機器人吹奏。