全國中小學科展

臺灣

開發影像辨識系統應用於離岸流偵測預警

離岸流是海灘安全的重大隱患,台灣有30處海岸經衛星拍攝到離岸流。其發生時間和地點不定,且會迅速將人帶離岸邊,最遠約100公尺。民眾常因掙扎而體力不支,導致溺斃。為減少此類事故,本研究開發了一套離岸流偵測預警系統,構建出準確度超過95%的辨識模型。 因台灣無離岸流圖庫,本研究除國外圖庫,也加入台灣GoOcean等平台的即時影像,以貼合台灣實際狀況。經影像前處理後,共約四萬張圖片和五十部影片用於訓練YOLO v8模型。當偵測到離岸流,即時透過Discord發送警報至救難中心。我們也加入人形辨識功能,若系統同時偵測到人與離岸流,則加強警戒等級,從而提升救援效率。 完成離岸流辨識系統後,我們著手開發預警功能。將辨識模型應用於各地監視器,蒐集更多離岸流資料,再先後使用YOLO v8和Transformer提取生成特徵,預測其發生,以達成預警的功能。

綠葉薯光─利用番薯葉綠體偵測皮膚受損程度

紫外光會造成皮膚組織結構受損,臨床上常藉由分析皮膚通透性變化評估其損傷程度,但檢測成本相當昂貴。本研究利用葉綠體能滲入受損皮膚內的特性,以伍氏燈之紫外光激發番薯葉葉綠體螢光,研發一套安全又低成本的創新性檢測方法。此研究發現,照射陽光與紫外光美甲燈,都會增加葉綠體穿透表皮的數量,防曬乳能減緩通透情形。人體檢測發現,皮膚對於紫外光的傷害有迅速修復的能力。然而,長期曝曬產生的曬斑部位,通透性明顯高於周邊皮膚,是不可回復的損傷,因此應避免累積性的紫外光傷害。研究成果顯示,我們所提出的檢測方法能有效評估皮膚損傷程度,為臨床上開發簡易皮膚檢測方法提供嶄新概念。

從帝王斑蝶色斑探究色塊排列之熱傳輸機制

本研究以帝王斑蝶色斑為發想,探討不同顏色與幾何圖形配置對熱傳輸機制的影響。實驗以鹵素燈模擬輻射熱源、熱像儀量測溫度分布,再以自製密閉觀察箱觀察樣本周遭氣流,分析輻射、傳導及對流的交互作用。結果顯示,黑色吸熱效率最高,與白或橘色塊接觸時,熱傳導效應使溫差降低,尤其色塊面積小、接觸邊數量多會增強熱傳導速率,接觸邊短時多餘的熱傾向於逸散至環境中,使色塊間溫差下降更顯著。氣流上升則隨顏色吸熱效果提升而旺盛。研究支持顏色與幾何配置對熱量流動有重要影響,進一步推測帝王斑蝶白斑的分布擴大了蝶翅外緣與內部溫差,導致周遭氣流的增強。未來我們期待透過軟體模擬,完善對於帝王斑蝶蝶翅熱傳輸機制的整合與應用探索。

連續兩個未知數相加減再相乘的極值問題

本研究從2022年APMO第五題的代數題目出發,題目為a1,a2,a3,a4∈ℝ,(4∑k=1)ak2=1,試求出(a4-a1)(3∏k=1)(ak-ak+1)的最小值。我們希望將原問題的四個未知數,希望推廣到n個未知數的通解。我們首先用算幾不等式及其他幾何性質算出了n=2~4的解,其中包括了偏微分求切平面的方法。在研究n的未知數的通解時,我們利用實數的完備性說明最小值一定存在,接著我們利用舉例以及反證法,發現到n個未知數時其最小值會小於0,以及最小值成立時各項相加會等於0,我們運用這些特別的性質,並且使用了各種不等式得出n=2(mod4)的通解。最後我們用拉格朗日乘數可以求出n=k(mod2k)的局部最小值,還有部分相加與相減的關聯性,未來希望能求出絕對的最小值和最大值。

見「微」知著大解謎:探究校園微氣候的奧秘

本研究是透過2個月的校園實際調查,來探究校園各地點的微氣候,以及風對校園各地點微氣候的影響,並分析影響各地點微氣候的因素,最後找出校園內最舒適的地點。研究結果發現: 1.建築物包圍的地區溫度較低;日照長、風速低的地點則溫度較高。 2.離建築物遠,風速較強。 3.建築物包圍的地區濕度較高,操場上風速高則濕度低,有植物的地點相對濕度較高,但是有日照的地點 反而會降低相對濕度。 4.風速高的時候,校園內各地點的溫度都會稍微上升,濕度會降低。 5.溫度越高,體感溫度越高;風速越高,體感溫度越低;環境不同會調節濕度,間接影響體感溫度。 6.有建築物或樹木的地方,都是體感溫度較舒適的地點。

負負得正

一群人熟識彼此身分的朋友圍圓桌而坐,每個人可能是老實人(說實話),也有可能是騙子(說謊話),對於老闆的提問「右手邊的是騙子還是老實人」每個人做出回答。本文就每位顧客所答的身分進行分析,然後延伸問題,假設答題者會繼承所答的身分(我們稱為繼承身分),舉例來說:如果顧客小明的回答是老實人(騙子),那麼小明的身分在答題後就會變成老實人(騙子),接著進行第二輪答題、第三輪答題、…,重複進行下去。文中我們解出了只有當顧客人數是2k 時繼承身分才會收斂,並且證明出在第n 次必然收斂到全好人;若顧客人數不是2k 時,則會產生循環。

傳明酸美白新機制的發現:透過誘導角質細胞自噬作用

已知傳明酸可抑制黑色素生合成達美白效果。實驗以黑色素餵食角質細胞並置於培養箱,模擬曬黑狀況,加入最高500 μM傳明酸處理。MTT顯示傳明酸在此濃度下幾乎無毒性。處理後西方墨點法顯示自噬相關蛋白增加;AO測定出現紅色螢光,顯示自噬酸性囊泡存在,且加入自噬抑制劑後囊泡減少。隨傳明酸濃度提升,黑色素小體蛋白與黑色素含量明顯下降。最後以斑馬魚模擬人體觀察黑色素變化與存活率,結果顯示其幾乎無毒性且黑色素含量下降。總結,傳明酸可透過自噬分解黑色素,達成美白。

一「鹽」「鉛」金-鉛蓄電池加入各式鹽類的探討

鉛蓄電池電極板會產生不可逆的硫酸鉛使電池效率下降,因此我們利用在鉛蓄電池中加入不同鹽類與不同濃度的硫酸鹽類來解決不可逆的硫酸鉛,並模擬若降低電池充電電壓或是在車中工作溫度進行實驗。經實驗得出硫酸鉀在加入高濃度時較有效果,硫酸鎂與硫酸鋅則以低濃度時較有效果;而三者在低電壓充電時放電的效率都會比較低,且加 入硫酸鎂與硫酸鋅影響較小;三者在高溫環境時充放電的效率會比原本高,當中以硫酸鋅最為明顯。

宜蘭地區風場與地形交互作用下的雨量分析

本研究利用中央氣象署2003年至2022年在宜蘭地區的地面測站雨量及風場觀測資料,分別在蘭陽溪以北與以南的平原與山區各選取十個測站進行分析,再輔以宜蘭降雨觀測計畫所提供的探空斜溫圖,探討宜蘭地區三維風場及因特殊地形作用所產生的雨量分布及變化。研究結果顯示:宜蘭地區的降雨量多寡與降雨特性分成五區,分別是中央山脈迎風面(4000~5000mm)>雪山山脈山區(約3500mm)>平原內部(2500~3200mm)>中央山脈背風側(約2700mm)>無地形作用(約1200mm)。其中中央山脈迎風地區年雨量逐年上升,背風面雨量逐年下降。另大尺度的東北季風進入宜蘭平原,與地形交互作用產生繞流西風再與低層東北季風產生輻合舉升作用,常造成了宜蘭地區冬季劇烈降雨事件。

點亮絲路:碳量子點螢光蠶絲的製備與光降解環境污染物之應用

本研究以電紡絲法製作光動力活性的碳量子點(carbon quantum dots, CQDs)螢光蠶絲,用於光降解環境染劑汙染物與抗菌的應用探討。不同顏色螢光的碳量子點 紅、綠、藍色)的合成是以檸檬酸作為主要碳源,分別參雜尿素與葉綠素用以合成三種螢光的碳量子點。接著將絲素蛋白、聚乙二醇與量子點溶液為原料,以電紡絲法分別製作成藍色、綠色與紅色的螢光蠶絲。螢光光譜儀 PL)與穿透式電子顯微鏡 TEM)結果呈現量子點的光學特性與尺寸呈現預期的量子效應。拉曼光譜則證實電紡絲法之螢光蠶絲具有絲素蛋白、聚乙二醇與量子點的特徵訊號。本研究使用之電紡絲法製備之螢光蠶絲,與我們之前使用蠶寶寶桑葉餵食法生產之螢光蠶絲來比較,電紡絲螢光蠶絲具有更加優異及穩定的光降解環境汙染物效率,未來可用於自清潔、抗菌織物與醫療敷料之應用。