全國中小學科展

國中組

矩陣形省水灑水器

近年來,隨著日益嚴重的全球暖化以及氣候變遷,使得可用的水資源日益枯竭。有鑑於此,我們致力開發出一種能夠減少水資源浪費的灑水器。本研究利用 3D 模型設計軟體 tinkercad 設計出矩陣形省水灑水器的各個零件,並計算出水壓與孔徑大小以及噴射距離的關係,藉由調整各出水口的孔徑來控制噴水範圍。 實驗結果顯示,且相較於傳統灑水器省水達 25%,且使用3D列印技術製作,可根據自身情況調整出水口大小來控制射程,以控制灑水的長寬比,以達減少水資訊浪費、增加水資源有效使用率之目的。

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。

雙龍擺尾盪混沌-探討雙擺轉動時的混沌現象

本實驗的目的在探討雙擺在擺動過程中的混沌現象。我們利用EXILIM相機及Tracker軟體為實驗工具,探討下擺在繞圈運動時的條件。結果發現,雙擺在第3次擺動後開始明顯不規則。下擺繞圈現象出現在上擺兩端處,且連續繞圈數多為1-3次。此外當擺重越小,擺長越短或擺角越大時,下擺繞圈數及上擺振幅也較大。當擺重越大時,雙擺總能量快速減少,轉動圈數也較少。而當擺動過程中時,根據鉛直面圓周運動原理,只要下擺能量大於臨界能量(5/2mgR),即可產生連續繞圈現象。

分割子三角形的內切圓與旁切圓

關於三角形的分割子三角形之內切圓問題,有文獻探討此分割線的長度[4],也有探討內切圓半徑和[5],或內切圓半徑平方和[3]。本研究異於前者,創新探究分割子三角形的內切圓與旁切圓的「半徑長度乘積不變量」、「兩點圓心連線性質」以及「三點圓心連線三角形的面積不變量」。我們依序探討兩個、三個到多個子三角形,先給出內切圓與旁切圓半徑長度乘積與邊長的關係式,接著探討兩點圓心連線的共點及相似形,最後是三點圓心連線三角形面積不變量。值得一提的是,看似不相關的「圓心連線三角形的面積比值」與「半徑長度乘積比值」居然是等價,這是本研究亮點。最後我們完整給出分割為三個子三角形的所有面積不變量的所有組合。

防震未來式—懸浮技術的抗震

本實驗研究探討關於張拉整體結構運用在建築物結構的抗震應用,初步探究發現結構乘載過重時,結構體會因繩長變化,使得力平衡不穩定,導致結構體傾斜甚至斷裂坍塌,我們嘗試改善結構,讓此結構體達到更加穩固。張拉整體是一種懸吊平衡的結構裝置,因此也讓我們聯想其可運用在類似懸浮隔震結構的防震技術上,在初步設計上將拉繩結合彈簧,發現可以達到類似阻尼器的制震效果,因此我們進一步設計了一套懸浮抗震系統,系統結合物聯網技術,一邊能主動監測地震晃度,透過無線網路傳遞晃度訊息,一邊讓自主調控裝置依據晃度大小調整張拉整體平台使其回復到平衡狀態,經過地震模擬實驗發現能有效減緩晃度,思考未來可將其運用在建築物的防震技術上。

海蟲的棋盤遊戲

本研究主題是在n×n陣列中,甲乙雙方輪流填入三種海蟲的遊戲探討。我們得到下列結果: 一、探究海蟲形狀與數量,我們利用「頭部的連接方向」和「頭尾的連接方式」,找出所有的海蟲圖形,並利用六連塊檢驗,確認所有的海蟲個數共是71種。 二、將陣列邊長點數n分成6k-3、6k-2、6k-1、6k、6k+1、6k+2等6個類型討論,找出n×n陣列可擺放海蟲個數的最大值。 三、探討只使用一種海蟲排入陣列的遊戲玩法,得到結果如下: 1. 6×6陣列遊戲結果必是甲乙兩方都放3隻海蟲,雙方平手。 2. 7×7陣列遊戲最佳結果必是先手甲方4隻、乙方3隻,由甲方勝1隻。

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。

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。

「深」不可「測」——紅蓮燈魚3D座標重建與智慧管理系統

考量養魚業者未必能隨時隨地監控魚群的活動情形,因此本研究利用YOLOv5的視覺辨識模型及Deep SORT多目標追蹤演算法進行魚群的座標定位及移動追蹤,開發出一套「智慧魚缸管理系統」,我們分別使用600、150張魚隻照片作為辨識的訓練集與測試集,其結果準確度平均高達99.99%,進一步利用兩鏡頭拍攝的視差以及司乃耳定律所得折射公式重建出魚群中每隻個體的3D座標,再根據個體座標的變換計算其活動量,並推論其可能的行為活動,同時以三維動畫模擬出魚群在魚缸內的即時狀態,此外我們選用OpenCV的輪廓偵測函式,計算個體的側視面積,由此觀察魚隻的成長情形,最終將上述各數據寫入MySQL資料庫作統計分析,當發生特定事件時,將透過Line Notify傳送訊息及時通知業者處理。

智慧輪椅之研究-應用表情辨識輔助與外籍看護之溝通

台灣已進入高齡化社會,年長者大多行動不便且為外籍看護在照護,因語言不同,導致溝通困擾,所以研究智慧輪椅,從機構設計中設計三段式椅背調整、餐桌的開合;能使用手機app控制輪椅的移動;在智能照護上依年長者需求在手機上設計了撥打電話、緊急Line救助、啟動家電等功能;更獨創能與外籍看護溝通功能,設計了翻譯機,使受照護者能輕鬆地與外籍看護溝通。並從表情辨識上得知,臉部表情辨識的辨識率為0.6~0.7之間;加入比1-3的手勢後,其辨識率提高0.8~0.9之間,最後年長者加入自己喜愛的動作差異大的手勢後,其辨識率均為1(100%) 。與年長者討論適合的表情後,本研究的智慧輪椅能透過表情辨識開啟與閉合餐桌時會說出外籍看護的語言並且能拿餐具與餐點或是收拾餐桌。