全國中小學科展

臺灣

蟲蟲不危機-廚餘好幫手黑水虻發熱的探討

本研究利用黑水虻分解食物產生熱量的特性,對黑水虻進一步的探討。蟲卵的顏色為淡黃色,以麥麩為底將卵放在上面,在光線黑暗的地方,室溫下約2~5天孵化。幼蟲對環境溫度、光線及濕度 會有影響。幼蟲食量非常驚人,廚餘可以有效的被分解,但研究中發現幼蟲對水果皮、生空心菜、發霉麵包最上層、有些整顆水果(例如:蘋果、柑橘、柳丁等)沒有切開皆不吃。觀察黑水虻進食時溫度變化情形,發現食用澱粉類食物,飼料換肉率高達4.67,最低是水果類(芭樂)飼料換肉率2.29,進食時4到10小時會產生溫度高達41度,水果類(蘋果)放出熱量達380卡,蛋白質類放出熱量達1080卡。將其排泄物種植小白菜,生長較茂盛。

語音模型逆向攻擊實現與分析

本研究中,我們對模型逆向攻擊在語音辨識系統中的影響及風險進行深入分析。隨著Siri、Google Home等智能助理設備在日常生活中的廣泛使用,其語者辨識系統的安全隱患引起了我們的注意。本研究目的在於深入理解模型逆向攻擊的運作機制,並探討其對語音辨識系統的攻擊效果。我們透過實施多樣化的攻擊策略,對不同的模型架構和數據處理方法進行了評估,並對人聲與非人聲的數據集進行了攻擊效果的比較。此外,我們亦實現了基於差分隱私的防禦算法,在多數模型架構下達到接近50%的防禦效果,顯著提高攻擊代價。研究整體揭示了語音辨識系統在面對模型逆向攻擊時的脆弱性,並藉由實驗分析推論出可能的防禦策略,期待能通過策略來增強模型的安全性。

釉下光工程

釉藥為陶瓷藝術的核心呈現,本研究利用釉藥作為媒介,融合資訊工程的隨機森林演算法主題進行釉藥燒製後成果的預測。從陶藝釉藥的公開網站篩選釉藥配方及圖片色標建立數據庫,後續能進行未燒製前配方成果的模擬建模。 利用已發展千年的釉藥調製技術和材料,以塞格式、一維二元…常見調釉藥比例的方式,同時記錄大量釉藥數據庫,結合現代科技分析方法快速模擬成品樣貌,未來可應用於磁磚或是釉料產業的釉藥顏色矯正。 釉藥具有高度藝術及商業價值。本作品以東方傳統技藝結合現代機器學習的演算法。數據庫的建立用於結合眾多陶藝家製釉經驗,來達成預測釉燒後的釉色。故此作品的未來發展有極大的前瞻性。

化圓為方 ─ 四邊形的蝴蝶定理

本研究是將圓形蝴蝶定理推廣至四邊形,首先將四邊形分成梯形、平行四邊形、一對角線被另一對角線平分的四邊形,再推廣至任意四邊形,發現四邊形也有蝴蝶定理。而蝴蝶形的中心可以是四邊形兩對角線的交點,若一對角線被平分時,則以此對角線為蝴蝶線就有蝴蝶定理,若此對角線不被平分就有坎迪定理;若將此中心沿著另一對角線移動就有類坎迪定理,沿著原對角線移動就有坎迪延伸定理,若此對角線再被平分,就有等比例蝴蝶定理。最後利用三線共點的作圖法,成功將四邊形蝴蝶定理一般化。並透過不斷地延長多邊形不相鄰的邊,將多邊形退化成四邊形,從而得到多邊形的蝴蝶定理,只是此時蝴蝶形不一定內接在多邊形的邊上,也可能接在邊之延長線上。

發光蛋——簡易發光細菌培養法

現況下,國中小對於微生物培養並不普及,主因在於沒有足夠經費與設備。本研究發現使用:水解乳清蛋白、濃縮乳清蛋白、雞蛋蛋白等可以替代LB培養基。且各項替代培養基金錢成本比起LB皆下降七成至九成,並且有六種替代培養基於第24小時平均光強度皆大於LB培養基,且替代培養基中最高平均發光強度為0.296較同時間的LB之數值0.046高。此外,使用電鍋滅菌雖無法完全無菌,但仍有一定能力可作為滅菌釜的簡易替代;自製操作台則有替代無菌操作台的之較高可行性。本研究並發現雞蛋液態和固態培養基的製作,其材料簡單、培養效果佳,故具備中小學教學推廣的價值,以及發光細菌在毒物檢驗中的應用等極具有推廣的潛力。

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。

建立檢測化學壓力新型模式生物-大生熊蟲實際應用與耐受機制探討

本研究是評估大生熊蟲( Macrobiotus sp.)檢測小白菜混合化學壓力的應用潛能。目前已建立大生熊蟲檢測實際環境化學壓力方法,若以正常活動樣本檢測化學壓力需24小時獲得結果;但乾燥隱生樣本則能在2小時內獲得檢測結果,每週檢測1次,至少可重複6次檢測,所以隱生大生熊蟲最適合在符合生物倫理準則之下檢測化學壓力。 探討大生熊蟲檢測實際化學壓力時耐受機制,發現大生熊蟲在小白菜萃取液隱生時,其100、50與40~50 kDa蛋白質單體表現量顯著增加,另外自乾燥隱生恢復活動時40~50 kDa單體表現量亦顯著提升,未來將以LC MS/MS分析其蛋白質種類與功能。藉由加熱實驗的總抗氧化能力數據確認大生熊蟲能以酵素與非酵素抗氧化系統對抗實際化學壓力,未來將探討對抗常見抗氧化物質的單一酵素活性。目前尚未成功分析大生熊蟲常見抗氧化基因表現量,本研究會持續改良設計出合適的primer與目標基因黏合,分析表現量。檢測其脂質含量則發現,大生熊蟲在實際化學壓力下隱生、乾燥隱生以及自隱生恢復活動階段體內脂質含量顯著增加。

蕨類植物煉丹記

本次研究從龍潭湖區域的蕨類植物調查開始,共計調查到四十八種蕨類植物。發現本區環湖區域多為接近70度以上陡坡,一般植物難以生長,但蕨類植物卻能在此生長良好,對水土保持有良好功能。 為了能更推廣蕨類植物之美,採取熱轉印方式進行印染,並以族群數量多、容易採集、葉片形狀大小適中等條件,選擇適合熱轉印印染蕨類植物27種,再以自製氯化鐵試劑來篩選含丹寧量高的蕨類植物16種進行熱轉印印染。 在熱轉印染中顯色鮮豔的沙皮蕨、半邊羽裂鳳尾蕨、細葉複葉耳蕨可提取植物染染液,染液能運用於植物染,但有機染液不易保存,加入含鋁、鈣等金屬化合物,可以產生色澱。而色澱乾燥後的色粉可運用在染色、繪畫顏料方面,用途多樣便於推廣。

魔戒三部曲~以物理模型和tracker分析翻轉落體的運動模式

鏈與環魔術簡稱為魔戒,本研究將魔術tricks藉物理模型與tracker軟體分析,化成探討翻轉落體運動物理模式。發展四種物理模型進行實驗、攝影與截圖、tracker分析其S-t、v-t圖和相關物理量,解釋環套鏈成因。包括:1.環套鏈物理模式分為翻面落體期、立環直落期、翻鏈套環期與鏈環彈跳期等階段;2.翻鏈套環期決定環能否套入鏈;3.環套入鏈變因與影響程度為:鏈單位長度重量>環質量>鏈長度>環直徑;4.鏈愈輕、環愈重、環直徑愈大時,環可套入鏈長範圍愈大;5.鏈愈長,第二階段立環直落期時間也愈長,其他階段幾乎相同;6.環重遠大於鏈重時,鏈長會糾纏成多個套結,鏈短則形成半個套結;7.經鐵環兩點雙track過程,得知環翻轉運動軌跡。亦發現,一節節鏈設計亦為環能套入鏈成因之一。

銀摻雜石墨烯異質結構應用於高效析氫反應

高性能電極對於析氫反應(hydrogen evolution reaction,HER)在未來能源需求中極為重要。高效析氫取決於電極特性可否催化HER,降低電解反應的過電壓。文獻記載石墨烯適合做為電極表面的HER催化劑,利用薄層微量雙金屬的製程技術,可從電極背面析出奈米銀並摻雜到電極表面石墨烯,形成銀摻雜石墨烯(Graphene/Ag-doped)異質結構,增強電極表面石墨烯鍍層的電導。本研究優化此技術,將銀奈米結構沉積在石墨烯的缺陷及晶界邊緣,透過鍍銀技術與實驗參數(化學氣相沉積法的加熱溫度、時長和通氣量),製造出嶄新的Graphene/Ag-doped異質結構材料,增強了電極電導及快速傳輸電子連接的電極表面活性點,大大提高HER的效率。量測結果證明Graphene/Ag-doped異質結構較單層石墨烯具有超過10倍的導電度,電流密度增加20倍,塔弗斜率(Tafel slope)減少50%;與文獻中使用單層石墨烯/奈米碳管異質(rGO-MWCNT)之最佳材料相比[4],本研究之Graphene/Ag-doped異質結構的Tafel slope為80 eV/dec,在析氫反應之消耗能量已大幅降低到幾乎減半。本研究成功製造出高導電、低過電壓,及高效率析氫的電極材料,為未來綠色能源開闢了途徑。