全國中小學科展

臺灣

橡實代謝物與飛鼠小腸內生菌共發酵產物之應用

This study primarily investigates the components of food residues in the stomach of flying squirrels and the metabolism of the intestinal bacteria Floricoccus tropicus. Using nuclear magnetic resonance (NMR) hydrogen spectrum analysis, the signals of long-chain fatty acids were detected in both n-hexane and 75% ethanol extracts of flying squirrel gastric residues and acorns, suggesting that acorns may be a primary food source for the flying squirrels. The study also identified Floricoccus tropicus, one of the lactic acid bacteria, from the intestines of flying squirrels and discovered its role in the metabolism of fatty acids in acorns. Results showed that polyunsaturated fatty acids significantly decreased during fermentation, indicating that they were converted into short-chain fatty acids with anti-inflammatory properties. In the antibacterial activity experiments, the acorn grease showed no inhibitory effects before fermentation, but after fermentation, the acorn grease exhibited inhibitory effects against E. coli. Furthermore, in anti-inflammatory tests, fermented acorn grease samples significantly suppressed the production of NO and TNF-α in LPSinduced RAW 264.7 cells, with greater inhibition at higher concentrations. In conclusion, the lactic acid bacteria Floricoccus tropicus was found to metabolize fatty acids of acorns into compounds with antibacterial and anti-inflammatory effects.

大「逆」不道—局部逆境下植物體內傳訊與物質分配機制

When a leaf of a plant encounters stress, how does the plant convey the stress signal to other tissues and manage nutrient distribution? This field of study has been largely unexplored. However, the unique interconnected frond structure of Lemna trisulca, along with the use of a divided Petri dish, is very suitable for handling localized stress and investigating the mechanisms of intracellular signaling and nutrient distribution. Research has shown that when the mother leaf experiences localized stress, it releases healthy daughter leaves to minimize collateral damage to the daughter leaves. Conversely, when the daughter leaves face localized stress, the mother leaf chooses to retain them and continues supplying them with nutrients to support their survival. In-depth studies revealed that stressed daughter leaves accumulate Reactive Oxygen Species (ROS), triggering nutrient distribution by sending a distress signal to the mother leaf. This prompts the mother leaf to use Ca2+ as a signaling molecule to deliver nutrients to the daughter leaves. Selective detachment is regulated and triggered by the interaction between Ca2+ and ROS within the mother leaf. When the mother leaf undergoes stress, Ca2+ acts upstream to induce ROS accumulation at the nodes, sending a unidirectional detachment signal to the daughter leaves. This causes ROS accumulation at the daughter leaf nodes, inducing detachment and thereby reducing the collateral damage the daughter leaf could experience due to the mother leaves.

「益生」的好閨「蜜」

本研究以蜂蜜對益生菌生長的影響為主題,選擇益生元組成差異較大之龍眼蜜、蕎麥蜜、麥盧卡蜜作為蜜種,並以A菌嗜酸乳桿菌、C菌乾酪乳桿菌、LP植物乳桿菌、LGG 鼠李糖乳桿菌作為益生菌種,透過細胞濃度測定、塗盤培養基等方法估算菌種生長曲線、菌種菌落數,探討不同蜜種對益生菌種繁殖的影響,並模擬胃腸道環境探究不同蜂蜜濃度對益生菌繁殖的影響。 研究結果發現蜂蜜能促進益生菌生長,且不同蜂蜜對不同益生菌的繁殖有差異。蜂蜜能提升益生菌對抗人體胃腸道中的胃酸、膽汁等耐受性。從結果推論,食用益生菌時可搭配蜂蜜一起食用,並在挑選益生菌種改善身體機能時,可選擇對該益生菌繁殖有益的蜂蜜種類一同食用,以提升益生菌的功效。

以「蹼」力進─探究蹼足結構對划水推進效能之影響

我們歷經觀察、設計、測試與改良,終於研發出能模擬鴨子雙腳蹼足交替划動、可穩定前行的「第三代機械鴨」。 我們還研發【推進力測量儀】,成功量測鴨蹼划水所產生的最大推進力,並運用 Tracker 軟體分析實驗影片,比對結果高度吻合,證明此測量儀為一個非常可信的實驗工具! 研究中發現蹼足的材質、面積、厚度、划水速度皆會顯著影響推進力表現! 而鴨脛長度與兩蹼夾角亦會影響機械鴨划行的穩定性與效率。在實驗中模擬小鴨列隊划行行為,驗證列隊划行有助於省力推進。 最後利用自行研發「波動感應儀」裝置讓我們以視覺化方式清楚理解鴨蹼划水在不同深度造成的水流動態特徵,是本研究的一大創意與突破。

Measuring the large nonlinear refractive index of pigment from avocado leaves by a laser pointer

本研究報告,從酪梨葉利用柱層分析技術萃取出葉綠素-a、葉綠素-b以及類胡蘿蔔素,用來研究其物理性質以及測量非線性折射率(n2)。 當雷射光束照射在置於比色管中的樣本時,中央軸上的強度最高,導致溶液產生了溫度梯度和折射率梯度。雷射光束穿過溶液後,在屏幕上產生了遠場繞射圖樣。這些繞射圖樣的最大半徑(Rm)和暗條紋的數目(N)隨雷射光的功率(P)、光徑長度 (𝓵)、溶液的熱吸收係數(μ)和溶劑的熱光係數(dn/dT)變化。從N對𝓵和N對P的關係圖中,可以計算出溶液的n2。 在本研究中,從酪梨葉中萃取的色素濃度分別是從菠菜和朱槿葉中萃取色素濃度的4.0倍和3.1倍。更令人驚訝的是測得的n₂ 值比石墨烯大100倍。結果顯示,該樣品具有顯著的非線性折射率,使其成為各種光學開關應用的理想材料。

綠色協奏曲~咖啡渣與吸音棉共築板擦機的「無聲潔靜」

本組自製壓克力立體箱,由聲音頻譜分析儀得板擦機頻率580、1160、4060Hz特定聲波,以藍芽喇叭控制上述三種頻率,測試多種吸音材料,研發創新吸音棉+咖啡渣+吸音棉三明治複合材料,展現卓越降噪效果。增加咖啡渣厚度有效減弱聲音,厚度達3.12公分以上,隔音效果不明顯;在3.57公分下,重壓提高孔隙密度,進而從68分貝降至55分貝達13分貝(19%)。 由以上研究結果,設計板擦機外部隔音罩,內部黏貼此複合材料,兼具隔音與防灰逸散功能,從110分貝降至65分貝減45分貝(40%),降噪效果顯著,並申請專利中。研究成果應用在家電馬達,延伸隔音牆建築上。實踐變廢為寶永續精神,展現低成本創新環保降噪解方。

橢球形柔性氣壓致動器的分析與建模

本研究透過實驗探討橢球形氣球與圓柱形氣球在受力狀態下長軸與短軸伸長量的差異。基於圓柱形氣球所建立的理論與公式,本研究針對橢球形氣球的形狀進行修正,以更精確描述其變形行為。因此設計了兩組實驗。實驗一施加不同負載,測量長短軸的伸長量,分析負載對氣球變形的影響,並與理想圓柱體做比較。實驗二在氣球外包覆編織網,觀察編織網對氣球在不同負載下伸長量的作用。通過比較兩組實驗結果,研究負載與編織網對氣球長短軸伸長的影響,進一步推導出相關的數學關係式。此關係式能有效描述氣球在不同形狀下的變形行為,為氣壓驅動柔性致動器提供更完善的模型,能提升實際應用中的控制精度與效能,促進其在機械、醫療器械等領域的發展與應用。

波中「針」意-電阻測量法應用於水波傳遞的探討

傳統水波干涉現象一般使用光學方法進行觀測,本實驗透過自製研發水波的電阻測量儀進行水波波速測量、水波干涉的波群現象及水波峰值衰減模式探討。水波週期差約10ms以下時,水波干涉使水位電阻產生波群現象,波群週期約為3.5秒。GGB模擬結果,波長差會影響波群的形成。振幅變化不會直接影響波群出現,波長差越大或太小,波群越不明顯。糖水濃度低於28%,不同波長的糖水波群週期、峰值衰減不隨糖水濃度改變,推測液體衰減性質與液體本身(水)的性質有關。透過水道內2組水位電阻測量儀,追蹤水波波峰或波谷經過探針時間,能準確有效的測量水波波速,結果顯示水位越深波速越快,與理論公式趨勢吻合。

三角形與四邊形內最短探測路徑研究

這份報告延伸上一份作品,要探討三角形中,假設以其中一頂點為起點, 欲利用一半徑為 r 的探測器,完整掃描三角形中每個邊以及邊上的每個點,最後再回到起點,試找出該路徑之最小值,以及該路徑與三角形之間的關係。在這份報告中,我們新增了在任意三角形中最短路徑的證明。 性質一,證明 D、E 兩點的存在性及唯一性。性質二,證明當四點共線時,會有最小值的發生。性質三,證明從直角或鈍角頂點出發的路徑為最小 值。性質四,證明從較小銳角頂點出發的最短路徑大於從直角或鈍角出發的最短路徑。性質六,證明任意三角形中最短路徑皆由最大角出發。 最後,我們將此問題延伸到四邊形,猜測從最大角頂點出發並回到起點的路徑為最小值,雖然我們發現了反例,但同時也證明了當最大角與第二大角差距夠大時,此猜測仍是正確的。

腔體共振與開孔氣流的探討

本研究探討聲音共振引起腔體開口處氣流噴出的現象。實驗通過揚聲器播放聲音,使固定的錐形瓶產生共振,並改變聲音頻率、聲音強度及腔體參數(體積、瓶口截面積、瓶頸長度)分析氣流的形成原理與機制。腔體非共振情況下,腔體內外氣壓的振幅差較小,且存在相位差,此時開口處並未測得氣流;而在共振時,腔體內氣壓振幅顯著增加,導致開口處出現氣流且流速達到峰值。而流速峰值頻率與腔體幾何參數的關係符合修正後的亥姆霍茲共振公式,其中瓶頸有效長度應為L+1.45D。此外,氣流形態受衝程比L/D影響,當衝程比小於0.1時,氣體噴出後容易被重新吸回腔體,無法形成噴流;而衝程比大於0.4時,噴出氣流形成穩定的不連續渦流環,即合成噴流;在0.1至0.4之間時,氣流形態處於過渡狀態。本研究為聲能轉動能方面提供新的研究途徑,並有進階研究的可能性。