全國中小學科展

三等獎

Forming Polygons with Broken Pick-up Chocolate Bars and Spaghetti Noodles

”The broken pick-up sticks problem” is proposed by T. Kyle Petersen and Bridget Eileen Tenner in 2020. We solve the problem by considering the discrete version using random variables, and the limit behaviour of the discrete version gives us a combinatorial solution to the original problem. We also evaluate the probabilities of the triangles formed by the broken/pick-up sticks satisfying some specific geometric conditions with various techniques, including calculus and elementary number theory.

Reduction of traffic congestion in España Boulevard using graph theory

There have been numerous studies exploring the applications of graph theory in traffic management, often finding ways to reduce traffic congestion and make traveling more efficient. Such studies will be beneficial when applied to heavily congested areas such as España Boulevard, one of the busiest thoroughfares in Manila. This paper aimed tooptimize the road map of España Boulevard using graph theory. The current road map of España Boulevard was represented as a directed graphand subjected to the mutation method of edge removal, wherein an edge isremoved in each mutation based on a computed fitness function, F(G),which depicts better efficiency at lower values. Edges were removed until the graph got disconnected, which was tested using the Floyd-Warshall algorithm. The 28th mutation resulted in a minimum F(G) value of 144.4; this is a 50.18% decrease from the F(G) of the original graph, which is 290. After the 28th mutation, the removals resulted in an increase in the F(G). As a result, the final mutation resulted in an F(G) of 311.89, which characterized a less efficient graph. This study was able to apply graph theory concepts to optimize the España Boulevard road map using the mutation method, minimizing its F(G) by at most 50.18%. For future studies, the practicality of the alternate road map may be tested in simulations to examine its efficiency when other factors, such as traffic volume, are introduced.

UVB induced TRPV1 and TRPA1 expression in skin keratinocyte and dorsal root ganglion cells: a plausible cause of warm and pain by sunlight irradiation

陽光晒到皮膚,人體會感覺到刺痛以避免過強紫外線的曝露。但皮膚為何會有刺痛的感覺呢?過去對光的生體受器著重於眼睛錐及桿狀細胞(Opsin 1/2),但它們在背根神經元 (DRG,周邊神經末端主體細胞)的表現並不多。TRP channels表現在皮膚及神經。TRPV1是一種痛覺受器,活化時會有鈣離子通透,Dr. Julius因它得到2021諾貝爾獎。TRPV1/A1可受溫度、酸度等活化,但DRG細胞表現的TRPV1/A1,是否會因紫外線(UVB)照射而影響,並導致鈣通透,目前並不清楚。我以不同強度UVB照射人類角質細胞或大鼠DRG,以螢光顯微鏡及流氏細胞儀測量TRPV1/A1蛋白質表現,以實時影像來作動態鈣離子分析。結果顯示UVB在10 mJ/cm2可增加DRG的TPRA1/V1表現,但UVB在5mJ/cm2照射DRG細胞後,只增加TRPA1而不是TPRV1的表現。在皮膚的角質細胞,不管是使用螢光顯微鏡或是流氏細胞儀,UVB在20mj/cm2以上的能量強度會造成角質細胞的毒性,以10mJ/cm2 UVB照射角質細胞,則會增加角質細胞的TPRA1及TRPV1表現,其中又以TRPA1的增加較明顯。惟UVB照射對細胞鈣離子通透的實時影響不大。我的結論是,UVB照射增加角質細胞及DRG的TRPA1/V1表現(特別是TRPA1),這些改變可能與光照引起之麻痛有關。

整數模n的加法組合設計之探討

將兩個相同的n角齒輪重疊後,再砍去若干個特定重合的角,欲使上層齒輪在繞公轉軸旋轉一圈的過程中,兩齒輪皆有重合的缺角,在這個目的之下探討砍去的角數量,使其最小化,將其最小值稱為n角齒輪的最小可行數,以符號記為f(n)。我的研究是考慮自然數 ,對於砍去角的位置,制訂設計方法,在數量上求得f(n)較好的上界與下界。我將這個問題代數化,運用集合與數列的概念進行研究,進而轉換為組合設計的最佳化問題。特別的,若齒輪中任意兩個缺角在圓周上的最短距離皆相異,則表示砍去重合角的位置為最緊緻的狀態,將這些特殊的缺角位置稱為完美集合,我也試著探討缺角為最緊緻的特殊情形,分析完美集合的存在性。

磁性顆粒在變化磁場中的反向運動及運輸

本研究探討磁性顆粒在變化磁場中的運動。燒杯內置入水和氧化鐵粉,構成磁性膠體系統,將燒杯放在磁攪拌器檯面上運轉,發現奇特的水流方向,有時順時針方向運轉,有時則逆時針。此現象是否與氧化鐵粉分布在水面或底部有關?底部的氧化鐵粉出現特別的反向運動,原因為何?深入研究磁性顆粒的運動,分析磁場變化、表面摩擦力對其影響,以及顆粒反向運動時,推動物體的力學分析,並自製磁鐵轉盤分析磁場分布對氧化鐵粉顆粒的影響。

Human-computer Interaction-based Millimeter-wave Radar Gesture Recognition

本研究提出了一個毫米波雷達即時動態手勢辨識技術,透過幾個簡單的手勢取代鍵盤和滑鼠來操作應用程序,從而提供更生活化和直覺化的人機介面。我們透過手勢屬性分析、手勢訓練資料格式選擇評估、學習模型效能評估和系統實測性能分析,以提高手勢控制人機界面的實用性。我們的學習模型採用一大小為415 KB的1DCNN+LSTM混合模型支持四個動態手勢,並在德州儀器的FMCW雷達評估板上以30 FPS的採樣速度進行手勢識別。我們在7個用戶(包括5個右撇子和2個左撇子)的多媒體撥放實際測試中達到94.5%的操控準確率。此外,我們的方案在實驗室環境之外的複雜空間中操控應用程序,也不會有明顯的辨識錯誤的情況發生。

大紅斑與周邊擾動的糾葛

在本實驗中,我們亟欲了解木星大紅斑其周圍不穩定之形成機制,意即探討大紅斑渦旋本身與其周邊風切帶之互動情形。第一、我們討論了風切帶之形成:有別於前人研究,我們使用全球準地轉淺水模式,在準地轉平衡的狀態下,渦漩會逐漸合併並緯向延伸,最終得出行星風系條帶狀僅為低頻波所產生之效應,且自轉越快帶狀越明顯;第二、透過克希霍夫渦旋理論,大紅斑始終能保持橫向的橢圓形結構且長軸不會旋轉係因為風切帶之加速效應;第三、我們使用淺水模式進行模擬實驗,發現大紅斑之非對稱西側擾動形成原因有二:一為大紅斑對風切帶之加速,以及木星低緯度風速較快加上風切帶之間具有渦度梯度形成之正壓不穩定效果。二來緯度越低則行星渦度越低,慣性不穩定易形成,即力學能差異越大不穩定越易形成,而此部份我們也以水工實驗展示。

從篩選植物澱粉與顆粒製程改質到手術防沾黏之效用評估與材料檢測

近年有許多研究開發粉末顆粒的防沾黏材料,在手術中可以輕易地噴灑在傷口附近達到防沾黏的目的。本研究首先篩選天然植物澱粉,探討並比較不同澱粉作為防沾黏材料的合適性,其次,在顆粒改質的乳化法中採用不同離子來製成防沾黏澱粉,並比較材料特性,包含粉末顆粒大小形貌、吸水效率、黏度。我們比較市場上多種食用性澱粉,乙醯化磷酸二澱粉具有最高約的吸水效率598%。在此研究中我們以乳化法將界面活性劑接枝在澱粉顆粒的表面來增加材料的親水性,並在乳化法中添加不同的離子化合物,結果顯示氯化鈉(NaCl)改質的乙醯化磷酸二澱粉,其吸水效率可進一步提升到1328.3 %,使用氯化鉀(KCl)改質的澱粉為1131.6%,而使用氯化鈣(CaCl2)則是1096.9%。實驗結果與討論顯示越高的吸水率有越好的抗沾黏效果。

以機器學習增強無人機飛行準確度

無人機在進行定位時,多半是依靠內建GPS晶片與內建慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)進行定位,然而高精度的IMU及GPS晶片受限於高成本無法在一般無人機上運行;此外,各種定位系統均有其適用範圍,若無人機運行於定位系統之適用環境外,其定位精確度會下降,進而導致無人機飛行時會與預期路線產生誤差。 在本研究中,我利用Webots模擬軟體進行無人機模擬,藉由無人機鏡頭所拍攝的連續兩幀圖片差異,產生差異與角度及距離間的關係資料集,並利用此資料集來訓練深度神經網路,將產生模型用以模型迴歸出連續圖片間的旋轉角度偏移量,以此偏移量輔助無人機進行飛行校正。 經過多次實驗與修改,我比較了幾種不同的資料處理與分類方法,找出當中最佳結果的機器學習模型後,將此模型套入模擬環境中輔助無人機飛行,使無人機飛行於複雜環境時,成功提升飛行準確度。

陽光下的旋轉舞者——探討雙小行星的形成原因與其分佈之關聯

現研究認為雙小行星的形成原因為小行星受YORP效應(Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack effect) 使自轉加速至裂解自轉週期後形成。此研究回推母小行星裂解自轉週期,推論雙小行星是否由YORP效應形成。結果呈現實際裂解自轉週期集中於1.4 – 2.4小時,較理想裂解自轉週期短。軌道半長軸0.5 – 3.5 AU,由YORP效應形成的雙小行星約佔總體73%,2.8 AU後無YORP效應產生的雙小行星。計算YORP效應產生的雙小行星佔總體比例分佈,呈現以1.8 AU為轉折點,轉折點前YORP比例接近,轉折點後比例隨與日距離增加持續下降。透過模擬YORP比例在長時間中的演化,呈現約107 年後YORP比例分佈出現轉折點,演化時間越久轉折點與日距離增加,透過轉折點可推論小行星受演化的時長,但現行模型仍無法考量雙小行星形成過程與演化造成的多重因素,此些效應會使演化時間加長。非YORP效應產生的雙小行星在科克伍德空隙前方增加,推測受木星軌道共振使碰撞機率增加產生雙小行星。