全國中小學科展

工程學

仿生科技應用於提高太陽能板發電效率之研究

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,同時複合石墨烯(graphene)並將其裝設於太陽能板上進行系統化實驗,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,本研究在光捕捉上再為仿生類透鏡穿上自然界的類透明外衣複合石墨烯情況下,其發電效率更佳,透鏡面噴塗石墨烯複合薄層1μm厚度,發電效率短時間提升最佳為14.21%,但隨著光照時間的增加(24小時)後,發電效率提升最佳為12.45%,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。

使用電漿輔助化學氣相沉積及雷射退火於玻璃基板上成長結晶鍺薄膜

單晶矽被認為是製造太陽能電池的最佳材料,因為它在地球上儲量豐富且具有優異的光電性能,但其大量的應用受限於其成本和轉換效率。 單晶矽太陽能電池通常通過將單晶矽晶柱切割成350到450微米的切片來製造。現有的技術方法無法將其縮小到更小的規模,因此其發展面臨著開發複雜製造工藝和高單晶矽片生產成本的障礙。近來,在便宜玻璃基板上製備的薄膜太陽能電池成為重要的發展方向,可以減少矽層厚度來降低成本和材料消耗,同時可以有效減少載流子的複合,進一步能夠提高轉換效率。 本研究成功通過電漿輔助化學氣相沉積在玻璃基板上生長出非晶鍺薄膜,並利用雷射退火將非晶鍺薄膜轉化為多晶鍺薄膜,接著將進一步發展控制退火過程溫度的時間空間演化,以進一步做出高品質單晶鍺與矽薄膜,並應用在超薄膜太陽能電池上

風場下圓柱氣孔導管抽吸對風阻係數影響

本研究藉由孔洞抽氣控制氣流邊界層,影響尾部渦流以達到減阻效果。研究主要探討的變因有:孔洞大小、抽氣速率,進而發想抽吸設計是否可運用在旋轉圓柱上。實驗與之前不同的是為抽氣孔洞加裝導管,以及創新的實驗旋轉裝置。實驗結果顯示,透過延緩邊界層分離可以有效控制阻力,在雷諾數15000時,可減阻。抽氣速率達22m/s,減阻最大值達23%。此實驗想法可有效達到減阻效果,並且可以使旋轉葉片減少旋轉阻力,在電壓6V時,轉速提升11%。未來期望能應用在風力發電機葉片上,減少旋轉風阻,提升發電效率。

磷酸銀修飾二硫化錫奈米複合結構:應用於光催化二氧化碳還原反應

本研究利用水熱法合成 C-SnS2光觸媒,再藉由化學水浴沈澱法(CBP)將 Ag3PO4 奈米顆粒還原在 C-SnS2 表面,得到複合半導體 Ag3PO4@C-SnS2。接著再分別以 C-SnS2 和 Ag3PO4@C-SnS2 進行人工光合作用,將二氧化碳還原為可用能源,並探討兩者之差異。藉由電子顯微鏡、 X 光繞射儀、紫外-可見光光譜儀、傅立葉轉換紅外線光譜儀、 X 光光電子能譜儀和氣相層析儀,分析樣品的晶體結構、能隙、吸光範圍和二氧化碳還原反應的氣體產物。最後,我們發現複合物 Ag3PO4@C-SnS2 的光化學量子效率較純的 C-SnS2 高,也就是此複合物能有效的提升二氧化碳還原效率。

圖形化物聯網小型折線機之研究

生活中網路商店或夜市常看到業者手工用鋁線在折造型,這些造型必須應用手工方式生產,所以生產效率及重現性低,且這類型的塑性加工在課堂上我們只能觀看一些影片來教學,無法實際進行操作。本研究用單折彎頭來進行金屬線之折線加工,以課堂所學知識及加工技術背景進行開發,主要以3D列印機的Arduino+RAMPS1.4控制器為基礎,自行設計及加工折線機構、進線機構、轉軸機構與螺桿機構開發出小型折線機。利用Python程式語言開發出將圖型座標轉換為NC碼,透過ESP-01S物聯網方式,直接控制所需的機械動作,做出所需的作品,讓使用者只需畫圖即可做出成品,不需學習機器控制語法。本研究可自動化加工生產、具有3D折線功能、折不同軟硬度的材料、操作介面簡便、體積小、成本低。

Conscious Brain Mind-Controlled Cybonthitic Cyborg Bionic-Leg - V2

Lower limb amputations affect about 28.9 million people worldwide, influencing normal human functions, we are developing a conscious brain mind-controlled Cybonthitic cyborg bionic-leg to provide a professional solution for this problem, which is classified as restricted knee movement, short-term solution, limited pressure bearing, unspecific analog reading of EMG; Because the output voltage measured in nano-volts, resulting in unspecific knee movement. The functionality of these modern gadgets is still limited due to a lack of neuromuscular control (i.e. For movement creation, control relies on human efferent neural signals to peripheral muscles). Electromyographic (EMG) or myoelectric signals are neuromuscular control signals that can be recorded from muscles for our engineering goals. We worked on a sophisticated prosthetic knee design with a 100-degree angle of motion. We also used a specific type of coiled spring to absorb abrupt or unexpected motion force. In addition, we amplified the EMG output from (Nano-Voltage) to (Milli-Voltage) using customized instrumentation amplifiers (operational amplifiers). We used a full-wave rectifier to convert AC to DC, as a consequence of these procedures, sine-wave output voltage measures in millivolts, and the spring constant indicates the most force for every 1cm. Von mises Stress analysis shows bearing as 3000N is the maximum load for the design. Detecting the edge of a stairwell using the first derivative. The benefit of a system that controls the prosthetic limb is activated by the patient’s own EMG impulses, rather than sensors linked to the body.

Dear NEMO~How are you?-動態位置捕捉海水魚及監控環境條件

網路上已經有很多人在做遠端的魚缸環境監控,但監控好環境條件,魚也不一定過得好,本實驗則是導入魚活動的參數,直接分析魚的活動力,以最直接的方式去觀測小丑魚的舒適程度。 本實驗研究目的為利用Arduino監測系統,監測裝置,並應用Blynk程式繪製環境數值趨勢變化圖。 本實驗的監控變因分為四個:水溫、pH值、水濁度,利用Blynk程式建立起一個能長時間即時監控及紀錄的系統,並建立起警示系統作為提醒裝置。 本實驗更進一步的結合Pixy Cam的監控系統,改變溫度及光照週期,並結合Raspberry pi的數據處理功能,自動處理龐大的數據,探討此兩變因對小丑魚活動力的影響。 此實驗是個發想,自動追蹤紀錄並處理大數據,此方法在未來可用來延伸研究養殖小丑魚的各種行為模式。

An Efficient and Accurate Super-Resolution Approach to Low-Field MRI via U-Net Architecture With Logarithmic Loss and L2 Regularization

Low-field (LF) MRI scanners have the power to revolutionize medical imaging by provid- 27 ing a portable and cheaper alternative to high-field MRI scanners. However, such scanners are usu- 28 ally significantly noisier and lower quality than their high-field counterparts. This prevents them 29 from appealing to global markets. The aim of this paper is to improve the SNR and overall image quality of low-field MRI scans (called super-resolution) to improve diagnostic capability and, as a result, make it more accessible. To address this issue, we propose a Nested U-Net neural network architecture super-resolution algorithm that outperforms previously suggested super-resolution deep learning methods with an average PSNR of 78.83 ± 0.01 and SSIM of 0.9551 ± 0.01. Our ANOVA paired t-test and Post-Hoc Tukey test demonstrate significance with a p-value < 0.0001 and no other network demonstrating significance higher than 0.1. We tested our network on artificial noisy downsampled synthetic data from 1500 T1 weighted MRI images through the dataset called the T1- mix. Four board-certified radiologists scored 25 images (100 image ratings total) on the Likert scale (1-5) assessing overall image quality, anatomical structure, and diagnostic confidence across our architecture and other published works (SR DenseNet, Generator Block, SRCNN, etc.). Our algo- rithm outperformed all other works with the highest MOS, 4.4 ± 0.3. We also introduce a new type of loss function called natural log mean squared error (NLMSE), outperforming MSE, MAE, and MSLE on this specific SR task. Additionally, we ran inference on actual Hyperfine scan images with successful qualitative results using a Generator RRDB block. In conclusion, we present a more ac- curate deep learning method for single image super-resolution applied to low-field MRI via a 45 Nested U-Net architecture.

以仿生袋鼠進行跳躍研究並應用於外骨骼

此研究選擇以袋鼠為仿生對象,希望應用袋鼠高速移動的特點,製作仿生動物,並觀測其跳耀動作,提升動作的流暢度。 首先對澳洲袋鼠在跳躍時的動作,進行動態分析,取得跳躍時其最佳腿部彎曲動作。經歷二次的外觀與整體結構更改,以及數十次的細微尺寸與外觀修飾的調整,完成了此次使用的仿生袋鼠。 此仿生袋鼠使用18公分長的小腿為基準,設計跳躍動作影響便因。首先更改個部位的馬達扭力進行跳躍距離和高度的紀錄,測驗出距離最遠,高度最高的數據,並依同樣的變因條件,進行腿部長度的變更,同樣求得最佳數據再進行下一實驗,以此求得在各變因下最佳的條件。 本研究包含生物觀察、機械繪圖、動作分析,而希望此實驗數據在未來能應用於跳躍型的外骨骼。

鑑色~藍染動力進行式

傳統藍染,染個深藍色的布,需要反覆侵染二、三十次才行,而每一次洗滌,都是藍水會對環境污染!我們自製鑑色儀器的設計,以白光照射吸光儀,讓光敏電阻感光後,測量一般電阻電壓大小,以不同濃度製作檢量線比較染液濃度;染布鑑色儀則是以GY-33顏色感測器校正後,快速測出色布上同樣區塊面積的RGB值,再利用線上顏色代碼轉換工具,轉換成HSB 值來分析染布顏色。而染布動力的部份我們想把一直都是用塑膠積木製作的二~六槳水車更新成金屬,然後再次比較出不同水位負載物的氧化及還原轉速,希望能找出最佳水車運轉速率及水位高度比,為了因應長度較大的藍巾,水車轉動還加入程式控制順逆轉軸的動力輪替。最後,我們比較增加風速或溫度可否加速藍染氧化之定色,讓精準快速的藍染文化成為可能。