全國中小學科展

第三名

具備感測器融合之智慧義肢

中華民國在110年3月的統計數據,神經、肌肉、骨骼之移動相關構造及其功能具有障礙之人口共計35.2萬人,他們都可能有需要義肢的需求。傳統的義肢通常具有外觀、方便性、適應性等的問題,使用上也相對吃力且僅能完成一些基本的肢體動作。在我們的研究中,針對了幾點進行設計:具有革命性的義肢功能、方便且易於使用的介面、輕量且美觀的3D列印義肢。 此研究以「上肢義肢」為出發點,做出讓殘疾人士在使用上,更有自主意識操作的智慧義肢。使用者可以在手機藍牙端收到「手指馬達訊號」、「壓力訊號」與「肌電訊號」等資訊,透過以上這些數據,使用者將可以更明確地感受到義肢就像是自己身體的一部分,讓義肢更具人性化與智慧化。

細胞的社會住宅—開發應用於幹細胞培養具磁分離能力之纖維素微球

幹細胞治療為全球再生醫學趨勢。 微球是一種三維細胞培養的方式,目前最普及的微球Cytodex具價格高、需額外透析膜來分離材料與細胞等缺點,引發我們開發磁性奈米氧化鐵纖維素微球的動機。 藉由共沉澱法合成磁性奈米氧化鐵,再以乳化法將其包覆於羧甲基纖維素微球中,表面透過交聯反應使微球更加穩固。我們嘗試四種變因調控微球製程參數,成功使微球粒徑大小達到與 Cytodex 相近的長邊204.886 µm,且驗證幹細胞能於微球表面生長,並透過磁性分離快速獲得幹細胞。 本研究成果相較於市售微球透析膜方式,方便、環保且低成本。未來可進一步探討微球的光熱性質使細胞脫離微球表面,避免細胞傷害,利用化學材料設計與合成磁性微球放大幹細胞,提供更新穎的細胞培養分離方式。

風中翱翔-找出最省力的飛機機翼

首先,設計研究一來找出最好的輔助噴氣裝置。觀察到當裝置的出風口為1公分且不延長路徑時,可讓吹風機的噴氣效果 增強以便輔助觀察。其次,透過研究二改變機翼模型的材質、重量、與形狀來找出最好的機翼模型。發現,材質不會影響飛行效果。而飛機機翼形狀在寬度為10公分且形狀固定時,用長為12公分的機翼模型,可以用最少的風力維持飛行。研究三整流,發現鼓風機製造出的氣流是紊流,所以添加吸管等材料來達到整流的目的。發現,縮減吸管的直徑雖可讓氣流變穩,但也會消耗風力。在保持風力的前提下,最具有整流功能的紙加一組粗吸管柱,所以用其來輔助觀察研究四。最後在研究四,測量研究二各種機翼上層的風速,來做為研究二的討論資料。

使用青梅果核廢料環保合成碳量子點探討對抗老年人牙周菌機制

本研究以生質廢料青梅果核為前驅物,經由環保合成與新型修飾方法製備碳量子點,並探討其抗菌潛力。考慮到安全性,本研究選擇食用酸為修飾材料,發現當青梅果核和蘋果酸1:1混合煅燒時,最能有效提升碳量子點產率、螢光強度與抗菌能力。但蘋果酸無法單獨經本實驗方法合成碳量子點,推測青梅果核為主要碳源,蘋果酸則提供表面官能基修飾。在抗菌實驗中,碳量子點對牙周病菌(牙齦卟啉單胞菌、具核酸桿菌)及常見病菌(大腸桿菌、綠膿桿菌)皆有良好抑制效果。經由電子顯微鏡及電子順磁共振儀驗證,本研究合成的碳量子點大小介於1~10奈米且能夠產生自由基,具備低風險抗菌潛力。

銀離子對於生物性電阻式記憶體影響之研究

本研究以生物性材料取代傳統無機材料製作記憶體,期待解決電子廢棄物累積的問題。實驗選用鹿角菜膠作為記憶體絕緣層,透過溶液-凝膠法製備成生物性電阻式記憶體,並探討金屬銀離子的摻雜與否對於電性表現的影響。本研究發現,藉由銀離子參與燈絲組成,可使元件ON/OFFratio比提升為103,並降低記憶體的開關電壓與提升其可靠度等表現。我們亦透過線性擬合確知本研究製作之電阻式記憶體符合蕭特基輻射模型,判定元件組態切換行為屬於燈絲傳導的可能性。由於摻雜銀離子對於生物性記憶設備的電性表現有明顯提升,離子與天然材料的組合可望成為下個世代記憶存貯產品的有利競爭者,並為未來電子元件發展提供新的方向。

擺磁必得其解!探討磁擺的運動行為

本研究旨在探討磁擺的運動行為,並建立物理模型及數值模擬探討磁擺運動。我們藉由磁擺擺動軌跡之分析、回復力矩測量及空氣阻力測量實驗釐清影響磁擺運動之重要因素。由實驗及模擬結果可知,磁擺運動中磁鐵棒主要受到重力及磁力之影響,當磁擺接近平衡位置時,磁力之回復力矩達到極大值而主導磁擺運動,而在擺角較大時則由重力主導。磁擺因接近平衡位置時的回復力矩增大,使其角速度、角加速度之變化皆與物理擺明顯不同;且磁擺於通過平衡位置時與支點平面發生碰撞造成磁擺動能損失。此外,當減小擺長時由於磁力不變,使得接近平衡位置之角速度越快,能量損失也越大,擺角衰減也越快。

哇嗚!!原來聲波真的可以滅火耶

本研究旨在改善火災應對技術,探討聲波滅火器的設計與優化。利用COMSOL Multiphysics軟體模擬聲波的物理特性,並透過實驗驗證模擬結果。結合程式設計驅動功放單體,測試多種頻率與角度的變化,深入探討聲壓頻譜、聲強、聲功率等物理特性。研究過程中發現,Q值是影響滅火頻率的關鍵因素,70Hz為最穩定有效的頻率,聲壓、聲強、聲功率的量測數據均再次證實此為最佳滅火頻率的推論。 這一創新發現為聲波滅火器設計和優化提供了新科學依據,相較於過去的錯誤嘗試法,我們通過專業軟體模擬並實驗驗證,再次驗證了Q值在滅火頻率中的關鍵作用的推論。未來將進一步探討聲波對火焰燃燒機制的影響,結合MLX90640紅外線熱顯影技術,以科學方法深入研究。

檢測奇招-從愛玉出發

本研究是以機械取代手工製作愛玉凍,以及開發自製食品質構儀的過程。起因於想製作衛生的愛玉凍改以機械製作並維持流程不沾手。為了比較愛玉品質研發自製檢驗食品質構儀。利用不同的攪拌刀具和機械方法製作愛玉,並與手工製作的愛玉品質進行比較。結果是調理機搭配鈦網刀頭,只需2分鐘,即可做成優良的愛玉。整體 流程快速衛生品質與手工愛玉不相上下自製質構儀經過改良,並與市售電子式質構儀比較驗證。在檢測同樣的愛玉時結果口感 數據接近、整體趨勢相符,具有相當的可信度。最後再以質構儀檢測其他性質的市售食品,同樣可以測得物理特性並分析出口感!證明它可以廣泛運用在其他食品上,完成新型手動質構儀開發。

「膠」給我–環保創新熱熔膠乾式膠帶

本研究製作出不殘留、具黏性可承重又可重複使用的乾式膠帶。實驗一到四,使用科技海綿刮CD片後,塗上脫膜劑,脫膜劑陰乾後擠上圓球形的熱熔膠,等10秒後將熱熔膠壓扁,可以製作出分布最均勻且具承重量的乾式膠帶,而脫膜劑會影響乾式膠帶的承重量。實驗五到八,找到不需使用脫膜劑就能提升乾式膠帶承重量的方法,等量的熱熔膠用玻璃片把熱熔膠壓得越薄,乾式膠帶面積越大,承重量就越大;在乾式膠帶上用錐子戳越多小孔洞,可提高承重量,平均承重量可達846.9g/cm2。乾式膠帶適合黏貼在平滑、光亮的材質上,除了可以懸掛重物,還可用來固定保鮮膜和打開塑膠袋口。本作品和歷屆作品比較具有乾式膠帶製作時間最短,水洗後可重複使用及可自行回收再製的優點。

鳥媽媽的巧思

鳥巢裡有n隻小喜鵲與1隻小斑鳩。小喜鵲分別編號1~n,小斑鳩編號0,這n+1隻小鳥圍成一圈,等待喜鵲媽媽的餵食。喜鵲媽媽餵食過程會遵守以下規則:當餵食完編號X的小鳥後,會順時針往下X個位置餵食下一隻,而餵食過程中若餵到小斑鳩,小斑鳩會將食物吃光。 本研究除了找出原題的三個答案外,並探討以下五個問題。 一、1隻小斑鳩和n隻小喜鵲按照0、1、2、3……順時針圍成一圈時,從哪一隻開始餵食,會讓最多的小喜鵲吃到食物? 二、承一,吃最多份食物的小喜鵲,吃了幾份食物? 三、重新安排小喜鵲的位置,使得每隻小喜鵲都能吃到食物。 四、承三,將小斑鳩的數量增加到m隻。 五、將研究結果運用於--值日生的安排、小組報告的順序……。