全國中小學科展

二等獎

果蠅(Drosophila melanogaster)的習得性無助表現之研究

習得性無助是個體經多次追求獎賞或逃離困境失敗後產生的一種消極行為表現。習得性無助的行為研究雖多,但對其神經機制的研究卻甚少。 本研究發現273,cha-Gal80>CsC-mCh是適合光遺傳學訓練的果蠅殖系。在白光點獎賞記憶訓練中,使273,cha-Gal80>CsC-mCh果蠅學會白光點視覺訊號代表著獎賞,並發現其白光獎賞記憶能持續7分鐘以上但未達10分鐘。藉已建立白光視覺訊號與獎賞連結的273,cha-Gal80>CsC-mCh,發現重複追求獎賞失敗的實驗組,相較於持續接受獎賞與完成獎賞記憶訓練而無任何操作的對照組,明顯表現習得性無助,本研究亦發現習得性無助個體也表現了活動力、覓食表現及攝食動機的下降。 本研究成功建立高成效的果蠅成蟲光遺傳學習得性無助訓練,並針對果蠅成蟲的習得性無助行為表現進行完整的研究,未來期望本於此訓練方式進行特定腦區、神經群和神經傳遞物之探究,建構果蠅習得性無助的神經網路機制。

基隆潮境海灣槍蝦聲響變化與環境關聯性分析

槍蝦閉合大螯所發出聲響為海洋珊瑚礁生態系中最主要的聲源,其聲音受多項環境因子影響,具有分析珊瑚礁生態系健康程度的可行性。本研究利用基隆潮境海域蒐集到的高時間密度採樣資料,嘗試分析槍蝦聲響在不同時間尺度下的變化與水溫、光度之關聯性,比較不同觀測期間與深度之資料,了解槍蝦聲響之特性。 研究結果顯示槍蝦聲響在長時間尺度下與水溫呈現高度正相關,且相同觀測期間、不同深度的兩筆資料變化趨勢相似;但相同深度、不同觀測期間的紀錄不僅變化趨勢與季節差異相關,整體數值也不同。槍蝦聲響每日亦具有規律的晝夜週期性變化,在清晨、黃昏出現高峰,白天期間與光度呈現負相關,夜晚期間與水溫高度正相關。最後,聲響峰值出現時間與日出日落時間最為相關,不同季節下之晝夜長短差異更造成顯著影響,不過仍會受水中實際接受到的光度影響。

降脂轉肌–將脂肪轉變成肌肉的可能性探討

先前研究發現一種多元不飽和脂肪酸 15-keto-PGE2 能減少肌肉慢性發炎以及增加肌肉生長因子胰島素的敏感性,具有增加肌肉的潛力。我們探討此脂肪酸在小鼠中將脂肪組織轉成肌肉組織的可能性。 我們先以 15-keto-PGE2 治療肥胖型肌少症小鼠後,再以全基因組mRNA定序,發現在小鼠皮下脂肪中,肌肉特異基因表現量高度上升。透過基因表現路徑分析軟體 GSEA證實此脂肪酸會高度引發皮下脂肪中,與肌肉分化、肌肉收縮與肌肉結構相關的生物路徑。另外, 15-keto-PGE2 也可以誘導脂肪前驅細胞3T3-L1中與肌肉生成相關的基因表現。 最後,我們發現以 15-keto-PGE2 治療的老年肥胖型肌少症小鼠,體重、血糖、脂肪比例下降,肌肉質量及力量上升,證實了它在體內同時減少脂肪並增加肌肉量的效果。

奈米 MPC 材料應用於電阻式有機氣體感測器

工業環境中揮發性有機化合物(VOCs)的洩漏不僅危害人體健康,更可能導致工安事故。現有氣體感測器常存在選擇性低、反應時間長等限制。本研究開發高選擇性與快速反應的奈米材料導電式氣體感測器,以實現即時監測。 研究中合成並測試六種銀奈米 (Ag-MPC)材料:Ag@C6、Ag@C12、Ag@C16、Ag@MCP、Ag@C12/MCP及Ag@C12/MBT複合材料。在500-5000 ppm濃度範圍內偵測1-丁醇、正辛烷及間二甲苯等目標氣體的電阻變化。實驗結果顯示,Ag@C12經官能基修飾後,對1-丁醇具有明顯的選擇性。我們開發基於Arduino微控制器的即時監測系統,透過運算放大器電路實現高精度的電阻變化檢測。可以在工業環境中持續監測VOCs濃度並即時示警。未來將著重於優化訊號放大電路、開發新型官能基修飾材料、實現複雜氣體混合物的組分分析。開發成本低、反應快、選擇性好的感測系統,為工業安全監測領域提供實際應用價值。

塗色次數期望值之研究

n個圓圈以一維排列所構成圖形中,若指定當中一圓圈塗色時,其左右相鄰圓圈各有1/2機率被塗色,欲求出使得該圖形之指定塗色次數的期望值達最小之最優化塗色方法。本研究共探討了n個圓圈之「直線排列」、「環狀排列」與n個圓圈及m個圓圈之「環狀結合直線排列」等三種圖形。

降脂轉肌–將脂肪轉變成肌肉的可能性探討

先前研究發現一種多元不飽和脂肪酸 15-keto-PGE2 能減少肌肉慢性發炎以及增加肌肉生長因子胰島素的敏感性,具有增加肌肉的潛力。我們探討此脂肪酸在小鼠中將脂肪組織轉成肌肉組織的可能性。 我們先以 15-keto-PGE2 治療肥胖型肌少症小鼠後,再以全基因組mRNA定序,發現在小鼠皮下脂肪中,肌肉特異基因表現量高度上升。透過基因表現路徑分析軟體 GSEA證實此脂肪酸會高度引發皮下脂肪中,與肌肉分化、肌肉收縮與肌肉結構相關的生物路徑。另外, 15-keto-PGE2 也可以誘導脂肪前驅細胞3T3-L1中與肌肉生成相關的基因表現。 最後,我們發現以 15-keto-PGE2 治療的老年肥胖型肌少症小鼠,體重、血糖、脂肪比例下降,肌肉質量及力量上升,證實了它在體內同時減少脂肪並增加肌肉量的效果。

Let There Be (Optimal) Light

On average, the agricultural sector uses 70% of water withdrawals worldwide to produce crops1 and contributes to the eutrophication of lakes by using nutrients that are leached from the soils into lakes and reservoirs2. Vertical farming has great potential to remedy some of these issues. By growing plants vertically in controlled environments with artificial light and reusing the water, vertical farms use op to 99% less water3 and can produce up to 10 times the yield per square meter4 compared to traditional greenhouses. This improved efficiency comes at a cost; on average, vertical farms use more than 600% more energy per kilogramme of crop compared to traditional greenhouses5. 55% of this energy use is due to the use of artificial lighting6. Even though a lot of research is conducted on yield optimisation of crops in vertical farming, few research articles focus on the growth efficiency of crops to reduce the energy use in vertical farms. Only a few previous studies have tested photoperiods under 10 h·d-1. This study focuses on reducing the energy costs of light use in vertical farms by finding the photoperiod with highest energy use efficiency for the leafy vegetable arugula (eruca sativa). Energy use efficiency is defined as fresh mass per unit of electricity input (measured in kWh). In this study, arugula plants were exposed to LED growth light, with photoperiods ranging from 0 h·d-1 to 24 h·d-1 (0 h·d-1, 4 h·d-1, 7 h·d-1, 9 h·d-1, 12 h·d-1, 14 h·d-1, 16 h·d-1 and 24 h·d-1) and a PPFD of 800 μmol·m-2·s-1. The photoperiod 7 h·d-1 had the highest energy use efficiency of all photoperiods and, if used in vertical farms, this could account for approximately a 10 percent decrease in energy per kilogramme used in vertical farms (a 4 kWh decrease), with the planting density of 1400 plants per m2. This could amount to a yearly energy saving of 4,000,000 kWh per vertical farm (based on the yearly harvest of the vertical farm Nordic Harvest). This could help make vertical farming a more sustainable plant production for the future and in turn, help farming protect our water resources instead of consuming and polluting.

應用多任務學習神經網路建構可識譜六孔竹笛機器人

本研究目標在建構可以識譜及吹奏中國笛的吹笛機器人。中國笛演奏必須協調吹法及指法;藉由控制吹氣流速、吹嘴角度及六指按壓音孔的變化來控制音高以完美地吹奏樂曲,是一項複雜的演奏技術。機器人以模擬吹笛口型的吹嘴,搭配兩個風箱往復送氣到一個壓力調節風箱送氣,以微控制板控制六個機械手指來蓋放完成演奏,為在音尾可確實止氣,設計一個風門,利用風門開闔也可模仿吐音技巧讓笛聲明確發音。辨識樂譜方面收集樂譜樣本,樣本分成譜線、音符、節奏三套,透過多任務學習MTL的深度學習架構進行訓練,建構可以辨識五線四間上下三線及全音符到16分音符及休止符的樂譜辨識模型。經測試若樂譜在符合音域範圍內,可以完整的辨識,轉換成音符資料傳送給吹笛機器人吹奏。

應用多任務學習神經網路建構可識譜六孔竹笛機器人

本研究目標在建構可以識譜及吹奏中國笛的吹笛機器人。中國笛演奏必須協調吹法及指法;藉由控制吹氣流速、吹嘴角度及六指按壓音孔的變化來控制音高以完美地吹奏樂曲,是一項複雜的演奏技術。機器人以模擬吹笛口型的吹嘴,搭配兩個風箱往復送氣到一個壓力調節風箱送氣,以微控制板控制六個機械手指來蓋放完成演奏,為在音尾可確實止氣,設計一個風門,利用風門開闔也可模仿吐音技巧讓笛聲明確發音。辨識樂譜方面收集樂譜樣本,樣本分成譜線、音符、節奏三套,透過多任務學習MTL的深度學習架構進行訓練,建構可以辨識五線四間上下三線及全音符到16分音符及休止符的樂譜辨識模型。經測試若樂譜在符合音域範圍內,可以完整的辨識,轉換成音符資料傳送給吹笛機器人吹奏。

Equation of Ellipse over Fp and Pairs of Quadratic Residues/Nonresidues Related to Catalan Numbers

The equation of an ellipse and quadratic residues are well-known concepts in elementary geometry and number theory, respectively. While the properties of ellipse equations in Euclidean space have been extensively studied, many characteristics of quadratic residues, such as consecutive quadratic residues, have also been explored in past research. In this study, we discovered the characteristic polynomial of the equation of an ellipse over finite fields Fp, a single-variable polynomial that shares the same roots as the ellipse. Furthermore, by examining the parallels between the equation of an ellipse and the pairs of residues and nonresidues, we derived a characteristic polynomial for this concept and demonstrated its connection to the Catalan number, a significant sequence in combinatorics. This research was conducted through the following steps. First, the power sums of the roots of the ellipse in Fp were calculated using the Legendre symbol and Euler’s criterion. Next, the characteristic polynomial of the ellipse was determined using Newton’s identity, generating functions, and Vieta’s theorem. Finally, leveraging the equivalence between the equation of the ellipse and the pairs of residues and nonresidues, we established the main results connecting these two concepts with Catalan numbers.