全國中小學科展

四等獎

『冰清欲結』-探討不同條件溶液結冰時溶質匯聚現象的差異

我們發現有些水溶液結冰後會推擠溶質到中央匯聚成顏色較深的區域,但有些溶液卻不會,到底是什麼原因造成此現象的差異?於是我們操縱各種變因來觀察它們對溶液結冰時溶質匯聚表現的影響。 實驗發現並非所有的濃度都會匯聚;不同溶質的匯聚情形也不同;水質所含雜質越多匯聚效果越差,且結冰後氣泡分布也各有特色;上下等寬的容器呈角錐狀匯聚,下窄上寬的容器則為柱狀匯聚;先結冰的地方會推擠溶質到後結冰的地方且結冰速率越慢匯聚程度越好;最後我們利用保麗龍包覆+重力方向來控制結冰順序使冰晶推擠力達到加倍的效果,再透過自製離子濃度檢測器發現冰塊中溶質匯聚區的濃度並非均勻一致,而是依結冰的順序而有低、中、高的「濃度梯度」現象。

Territorial behaviour of the Eurasian Wren (Troglodytes troglodytes) during autumn migration and wintering in the urban environment of Hradec Králové, Czech Republic

In the present paper I studied the winter territories of the Eurasian Wren (Troglodytes troglodytes) in the urban environment of the city of Hradec Králové. The males of this species were detected through the aggressive reactions to the playback of its conspecific call. The Eurasian Wren territories were detected at seven out of the ten observation points in the city. The frequency of the territories decreased during the observation period from October to January and it was also affected by the structure of the biotope. It seemed that the wrens preferred trees and avoided lawns and isolated growths. That illustrates how important it is to maintain wildlife corridors in the cities. Individuals of seven other bird species were seen reacting to the playback of Eurasian Wren songs or warning calls. Eurasian Wren may be applied as an indicator species of the ecological value of the urban environment. Through this species, we can access such quality also for the human inhabitants.

探討Naa10p突變對神經發育的影響

Naa10p (N-alpha-acetyltransferase 10 protein) 突變患者多半有智力障礙的問題,如:奧格登症候群患者常有早夭、腦萎縮及其他發育問題。Naa10p 是一種 N-α-乙醯轉移酶,負責新生肽鏈 N-α-乙醯化。人體中約有 80% 的蛋白質經乙醯化修飾,其中 46% 為 NatA 複合體執行,而 Naa10p 即是 NatA中執行乙醯化的蛋白酶。先前研究顯示Naa10p會影響神經發育,但對Naa10p影響神經發育的機制並不清楚。本研究利用CRISPR/Cas9製作Naa10p的小鼠胚胎幹細胞(mESC)突變株,觀察突變株細胞分裂速率與分化型態的差異,並分析胚胎發育過程Naa10p以及相關基因的表現。 本研究結果證明特定Naa10p突變會加快mESC生長,使其分化為神經母細胞的異常。而其中V111G突變株的Naa10p無法和HYPK結合,且突變S37P及R116W使Naa10p與Naa15p的結合降低,推論此結果可能造成NatA無法正常形成,並改變其與核糖體蛋白的親和力,影響蛋白質乙醯化。目前我們發現突變株中,與細胞分化相關的基因:Oct4、Pax6皆表現異常。以上結果可能可以初步解釋Naa10p突變造成人類疾病的機制。

平面封閉折線上構造多邊形之有向面積定值

本研究探討以封閉折線P1P2…Pn的邊為對角線構造平行四邊形或箏形PkMkPk+1Nk。考慮兩種構圖。首先,取任一動點Q構造三角形 △QMk Nk,這些三角形的重心 Gk 形成「重心多邊形 G1G2…Gk」。第二,對所有點Mk與點Nk取 mod r,分別連接同餘a的點構造全外(全內)的「跳點多邊形」,共有r種。透過純幾何與解析幾何研究此二類多邊形與原多邊形的有向面積不變量。 研究發現(1)重心多邊形的剛體運動、平行性與相似性與面積不變量。(2)設定多邊形 P1P2…Pn的n=rk+h+a,則可一般化mod r 下的 r 種跳點多邊形的有向面積定值,這是重要的突破!這樣的假設解決了分類數量龐大的問題,只需要分成兩種。我們也給出定值關係式中頂點跳點規律,本研究完整解決平面封閉折線上構造特殊多邊形之面積問題。

探討旋轉流中垂直熱對流造成流場變化之性質

本研究發現並探討冰在旋轉流中快速融化時自轉加速的現象,甚至比驅動旋轉流的速度快。根據文獻[1][2],近轉軸流場速度增快的現象可以基本流體力學方程式計算、解釋並討論,但對邊界條件處理、影響的參數無深入探究,其中熱對流模型控制應影響實驗結果。 本文透過自製實驗裝置,就驅動角速度、對流模型、對流速度等變因實驗探討這類旋轉流中因垂直對流引發「近轉軸處加速旋轉」對流流場性質,並用黏滯力、邊界及初始條件及PIV法攝影結果進行數據討論及驗證。實驗顯示自製三式熱對流模型、初始條件及液體性質是重要影響因素,明顯影響模型轉速-時間曲線趨勢;研究也成功利用PIV法攝影結果及數值模擬繪製出明顯近軸液體加速轉動時的流動結構並分析流場變化原理。本文期望對相關流體力學及工程方面問題有所助益,例如應用於渦流消除。

基於深度學習之服裝試衣系統

本研究以AI虛擬試衣系統(Virtual Try-on)為主題,透過深度學習技術,並結合幾何匹配模型,開發出試衣系統,可將使用者上傳的照片,模擬成穿著新衣的模樣。 首先,以深度學習模型將人物原始圖片取出骨架節點,並生成人體遮罩以及保留人物頭部,再結合以上三種資訊合成為高維特徵圖。接著將目標替換衣物生成出依照人體姿態扭曲後的衣物圖片。最後於Virtual Try-on模型中將人體高維特徵圖與扭曲衣物作為輸入,並經過深度學習網路合成出穿著目標衣物之人體圖像。本研究結果發現,人物站姿單純,且雙手緊貼身側,以及拍攝角度為正面、衣服款式為短袖、背景色彩對比度較高與衣服圖案單純的原始圖片,可得到較好的合成結果。

The effects of a water tower with dual-damping energy dissipation system on shock absorption

921地震震波對高11-15層大樓產生重大危害。本研究以模型模擬11層大樓建築物,頂樓設置水塔配合陽台天花板設置水撲滿的雙阻尼消能系統設計,探討不同震度震波在雙阻尼系統減震成效。模擬之設備利用3D列印機自製水撲滿、不同形式網狀隔間液體阻尼零件,自製地震模擬器以電流調整器控制怠速馬達,進行模擬不同震度下高樓產生擺動與震盪之狀態與特性。 實驗發現單一阻尼消能元件的減震阻尼效能較差,雙阻尼消能系統可提升39%至58%減震阻尼效能。其中雙阻尼消能系統若有網狀隔間,水波擾動震盪越明顯,阻尼效能提升 6%至14%。11層大樓於頂樓設置平行器壁網狀隔間正方形水塔,並配合在第9至11層樓處,設置隔間距離較短網狀隔間水撲滿,二者水位設定六分滿,此液體雙阻尼減震消能系統,可抑制模擬震度5至7級震波對大樓產生的順向波動共振與大樓結構體的自主扭轉共振。

地錢熱逆境記憶元件HSA32及HSP101之功能探討

為減少高溫造成的農業損失,了解植物耐熱機制成為重要的研究課題。其中植物熱逆境記憶受兩個熱誘導蛋白HSA32和HSP101之調控已在阿拉伯芥與水稻中被揭露,HSP101除了幫助蛋白質摺疊外,也可促進HSA32的累積,HSA32則延緩HSP101降解的速度而延長植物的熱逆境記憶。本研究以低等植物地錢作為為模式,探討植物熱逆境記憶機制之演化過程。生理實驗結果顯示地錢同樣具有熱逆境記憶現象;氨基酸序列的親緣樹表明高等植物與低等植物的HSA32明顯分成兩群,呼應先前互補實驗的結果,指出這兩群HSA32結構功能上的差異;如同高等植物,地錢HSA32和HSP101的表現均受熱誘導而活化。然而,初步結果顯示,不同於高等植物,地錢hsa32剔除突變株有更強的熱逆境記憶,顯示地錢HSA32的功能可能是抑制地錢的熱逆境記憶,未來需要進一步驗證。

鈦合金骨釘植入位置與脊椎椎體受力之分析比較

臨床手術中常有骨釘植入位置偏差之情形,且目前並無研究針對骨釘植入位置對椎體力學反應之探討,故本研究使用CAD軟體Solidworks建立11個不同骨釘植入位置的人體第三節腰椎模型,利用有限元素分析軟體ANSYS進行力學模擬分析,計算不同骨釘植入位置於不同負載條件以及有無骨整合情況下,腰椎椎體的應力情形與整體結構之穩定度。研究結果顯示,在不考慮傷及神經或是骨釘穿出骨頭的情況下,當椎體與骨釘若受前彎(flexion)、後仰(extension)、側彎(lateral bending)、旋轉(rotation)及無軸向負載(pure bending)時,骨釘螺帽中點至棘突中軸的垂直投影距離越小,椎體位移亦越小,結構越穩定;且不論有無骨整合都呈現相似走勢。骨科醫師表示仍會選擇打在目前最普遍的植入位置最為保險;但依照本研究結果,當臨床手術醫師面臨植入常規位置困難度較高時,骨釘植入位置若稍偏外側穩定度並不會有顯著差異,且可避免傷及中樞神經系統。

囊中之物~探討台灣藜抗鹽耐旱的可能原因及囊狀細胞角色

台灣藜為原生種作物,本實驗探討其抗逆的可能原因,並發現囊狀細胞的不同功能。台灣藜種子發芽率與幼苗生長,隨鹽度及乾旱程度上升,受到很大抑制;發展至第一對葉,台灣藜才展現較好抗逆能力。不論子葉或第一對葉,鹽度越高或越乾旱,花青素與類黃酮含量均較高。但POD與CAT活性,子葉時活性變化不大;生長至第一對葉時,POD在2%鹽處理組及乾旱w40%組,活性分別上升10.8及3.6倍,而CAT在2%鹽處理組及乾旱w40%組,活性上升5.2及3.8倍,酵素活性上升的結果與抗逆關鍵時期相符。刷除囊狀細胞後,發現台灣藜在鹽逆境下生長較差;2%鹽處理後,刷除囊狀細胞的葉片,其CAT活性下降約64%。收集囊狀細胞,進行CAT活性分析,囊狀細胞組及其去除活性組(加入去除CAT活性的Stop solution),兩者間的OD值相差達7.9倍。顯示台灣藜的囊狀細胞不僅有儲鹽的能力,還具有抗氧化酵素協助抗逆。