全國中小學科展

臺灣

羽視推移-運用傳動機構及影像辨識製作自動化羽球收集器

練習打羽球時,撿球這個過程不僅消耗體力,還會浪費許多時間。為了解決這個問題,我們著手製作一臺能夠自動撿球的裝置。第一代裝置利用皮帶輪將羽球彈至集球箱內,並用藍芽搖控車體移動。第二代裝置利用Teachable Machine與 Pixetto鏡頭進行影像辨識,並撰寫程式控制車體移動至羽球位置。為了避免羽毛球撞擊鏡頭,第三代裝置將撿球機構改為輸送帶,使其更穩定地進入集球箱內。但是束線帶長期使用容易變形,為了提高撿球的成功率,第四代裝置再次改變了撿球機構,結合第一代與第三代的想法,利用齒輪將羽球轉入裝置後由鍊條運到後方由日內瓦機構做成的集球裝置內。過程中利用了機構與結構原理設計車體,以及影像辨識的訓練與程式設計,做出了可以自動化撿球的裝置。

AI綠手指-植物診療輔助系統

本研究希望開發一套AI植物診療輔助系統。利用AI辨識植物生長曲線,適時補充所需營養。Micro:Bit監控生長環境,建立雲端資料庫。實驗發現: 一、使用過濾海綿、光照9小時、營養液濃度控制在pH值5.5到6.5、EC值(導電度)800至2000μs/cm的「植物生長環境」比「一般種植」的空心菜平均高度增加7.88公分,莖也更粗壯。 二、當植株出現病徵,如缺氮的葉面黃化,再以「AI植物診療輔助系統」種植,新葉能逐漸回復健康狀態。 本研究不僅幫助家庭簡易取得新鮮蔬菜,若推廣在科技農業,能有效減少人力成本,增加作物生長效能,邁向SDGs目標2消除營養不良與永續農業的美好願景。

跳躍圈躍起與滑動的力學條件分析

本研究探討跳躍圈躍起與跳躍圈滑動的力學條件。首先以剛體力學理論導出平面與斜面上跳躍圈躍起的條件,我們使用雷射切割機自製圓環並以強力磁鐵當作加掛重物,在平面與斜面上進行實驗,手機錄製影片後使用Tracker進行分析,確定跳躍圈躍起的條件γ∙ac∙cosϕ>g與實驗數據吻合。此外在影片中發現跳躍圈在躍起前,會先從純滾動變為滑動,此一現象稱之為純滾動破壞,我們也以剛體力學理論導出了斜面上跳躍圈從純滾動變為滑動的條件,手機錄製影片後使用Tracker進行分析,確定實驗數據與理論公式相符。

與「海」水來「電」─探討基隆部分海域發電效能與其應用

本研究以『環保』的概念為前提,運用在基隆易採集海水的海域來進行研究。本研究探討不同海域海水、不同電極片對伏打電池的發電效能影響,結果發現:(1)電極片的選擇最佳組合:鎂-鐵 (2)電極片放入電解質中面積愈大,能增加效能 (3)電解質的選擇:和平島海域>八斗子海域>外木山海域(4)串聯多個伏打電池可以提高電壓。除此之外,我們也將鹽電池縮小化,運用基隆海水及鎂銅電極片組合就可用以照明。

透過超音波敏感性聚合物微胞達成藥物投遞減少根管治療癒後復發的應用

本研究利用自行合成之聚合前驅物PEG-Br與THPMA(tetrahydropyranyl methacrylate)經由原子轉移自由基聚合(ATRP)合成兩親性的嵌段共聚物PEG-b-PTHPMA。將此二嵌段共聚物分別與藥物SC5005混合,在水溶液中透過自組裝形成包覆藥物的聚合物微胞。將微胞暴露於高能聚焦式超聲波(HIFU),使其分解後釋出藥物。 我們利用1H-NMR、凝膠滲透色譜法(GPC)檢測,確認合成出的PEG-b-PTHPMA之結構與圖譜相符,測得平均分子量約為37710、聚合物分散性指數(PDI)為1.3。以動態光散射光譜(DLS)、掃描式電子顯微鏡(SEM)檢驗聚合物微胞的合成結果,觀測到微胞具球形外觀和80.80 nm的平均粒徑。進一步利用超音波震盪實驗前後的1H-NMR差異,觀察到震盪後相較原先譜線多出了嵌段共聚物水解的訊號,據此變化得知聚合物微胞結構在超音波震盪下遭破壞並成功釋出藥物。

琉璃蟻退散-用UV燈防治疣胸琉璃蟻

農業用藥、淺山開發與氣候變遷等因素造成近年疣胸琉璃蟻的數量失控,臺灣多個中、南和東部縣市已受疣胸琉璃蟻嚴重侵擾,過去的硼砂/硼酸餌劑雖環保有效,但仍有諸多不便,如需頻繁更換、不易維持環境整潔且不適合放在電器或怕潮濕的空間。但由於密閉空間如配電箱很容易被疣胸琉璃蟻築窩,我們想了解如何解決此問題。我們的研究藉由在配電箱內架設UV燈管與日光燈管,發現燈光能有效防止螞蟻入侵,即便入侵也能在一 週內趕跑數千隻螞蟻,且UV燈防治效果更優於日光燈。我們找到了一種環保;適合裝設於電器內部與密閉空間;更換頻率低且能維持環境整潔的防蟻方法。希望此研究能讓大家可以更省力且更有效率的來防治疣胸琉璃蟻。

田中吊鐘姬蛛築巢行為之探究

本研究主要想了解田中吊鐘姬蛛生活史過程中能量之權衡及其特殊巢穴之功能,經相關研究發現,蜘蛛生活史過程中在能量分配上明顯具有權衡現象,捕獵能量的投資隨著齡期的增加明顯減少,例如,捕捉絲的數量及捕捉區的角度逐漸減少,而防禦能量的投資隨著齡期的增加明顯增加,例如,巢穴長度及巢穴重量逐漸增加,尤其到了成體後更加明顯;關於蜘蛛對築巢材料形狀的選擇明顯偏好粒狀材料,但顏色方面,蜘蛛對淺色及深色材料並無明顯選擇偏好性;另外,巢穴對蜘蛛來說避敵的功能大於避光,且巢穴內有保溫功能,有利於卵的孵化;最後,巢穴上黏附蜘蛛捕食後的螞蟻屍體有利於吸引其他螞蟻靠近,增加捕食機會,但無明顯抑菌效果。

以分塊矩陣及生成函數探討多人跳躍數列方法數

本研究針對以往跳躍數列進行1人的討論延伸至多人的跳躍數列;多人跳躍數列規則為「同一個時間點手上最多只會有一顆球回到一位小丑手中」、「需連續、規律的接及丟出球,並且無限持續下去」、「丟球前可以有準備的時間」以上三項規則,因此此研究和以往多數文獻的題目假設有所不同,也比較貼近現實可能的情況。 多人跳躍數列的討論較為複雜,因此採用有向圖的概念進行討論,該圖的點元素代表當下每一顆球在幾秒中回到手中的狀態、邊元素則為每個狀態轉移時的丟球方式;接著將有向圖轉換為鄰接矩陣,並將點元素用類似2進位的形式進行分類以便整理成規則一致的分塊矩陣,接著由Cayley–Hamilton定理及多人跳躍數列的性質得到將鄰接矩陣的n次方求跡即為多人跳躍數列方法數。最後為了將不同狀況的方法數有一個好的整理,我們採用生成函數表示方法數並得到一定的成果。

四海聲頻—具近用性之水下聲音頻率測量系統建立與Phyphox軟體測量值規律探討

本研究自製消費性電子產品為基礎的水下聲音頻率測量系統,並探討不同變因對測量效果的影響。希望透過設置簡易且普及性高的器材,解決目前水下聲音測量儀器近用性低的問題,讓海洋噪音汙染相關研究可以更為普及,促進環境科學數據的收集效益。本研究使用Phyphox軟體分析頻率,發現音源頻率遞增時頻率差有規律的變動,於是深入探討頻率差成因並使差值最小。最後將此系統應用於實際水下聲音頻率測量,觀察聲譜的頻率分布特徵,辨識顯著背景噪音並驗證其實用性。

隱藏在聲音中的魔鬼-探討adversarial voice attack對智能語音辨識模型影響之研究

本研究的目的在於探討Adversarial Voice Attack在對保護智慧財產權、抵抗自動翻譯的能力和預防智能設備危險,並以此進行大規模的應用。我們本次使用了常被用來做為翻譯系統的silero作為研究基礎和試驗對象,使得我們可以評估我們的對抗性樣本是否可以作為對抗自動翻譯的手段和它對模型的效果。利用FGSM(Fast Gradient Sign Method)方法生成對抗性noise來干擾模型對語音的辨識效果。我們的目標為透過解析模型label來製作能夠對模型進行有效攻擊的對抗性樣本,並以進化策略(Evolution Strategies)嘗試進行黑箱攻擊。 根據研究結果顯示在已知模型梯度的情況下可以做出噪聲極小的對抗性樣本。而我們在使用進化策略其中的協方差矩陣自適應進化策略(Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy)進行黑箱攻擊也可以使得製作出來的對抗性樣本的噪聲難以被人體感知。