全國中小學科展

臺灣

智慧火場定位與危機應對系統

本研究建構一套具即時定位、風險感知與智慧路徑規劃功能的火場應變系統,以提升緊急情境下的人員生存率與消防調度效率。針對火場中濃煙遮蔽與視線受限等問題,系統整合UWB無線定位技術、可拋式多感測探測球與自建危險係數模型,突破既有應變限制。探測球可即時回傳火場中氫氣、一氧化碳、瓦斯、粉塵與溫度等感測數據,並依據IDLH標準轉換為風險係數,生成即時危機地圖。 系統進一步結合風險模型與Dijkstra演算法進行加權路徑搜尋,避開高風險區域,提供最安全之撤離與救援路徑。資料處理採用SQLite本地儲存並搭配視覺化模組呈現,經模擬場景實測後,可即時更新環境資訊與路徑結果,展現高度準確性與實用性,未來可作為高風險場域智慧應變之技術基礎。

問君哪得清如許~探討永續節能自動化水質檢測及淨化的可能性

水質同時受到有機染料與無機鹽類污染,現行處理流程常分段進行,能源又受天候限制。為此,本研究開發一套整合「即時檢測-自動啟動-光觸媒淨化」的太陽能驅動水質清淨機。分別以有機染劑的亞甲藍以及無機鹽類的磷酸鹽(優養化)、亞硝酸鹽(生物毒性)為污染代表,檢測儀使用Arduino以反應試劑的RGB顏色變化檢測,汙染濃度超標則啟動水質清淨機進行降解。清淨機利用二氧化鈦光觸媒來淨化水質,作動結果顯示在光觸媒的作用下,不同的污染物濃度均能大幅下降,達成水質清淨目的。在能源的利用上,採用太陽能板儲能以提供陰天、夜間光觸媒所需的紫外燈電力,有效解決除污的時間及天候限制,達成全天高效水質淨化,符合節能等永續理念,值得大力推廣。

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。

探討濕地耐鹽菌對植物耐鹽及根部的交互作用

本研究從濕地篩選出可能為新種的耐鹽菌Oceanobacillus sp.,暫命名為OC2,其在無植物相伴狀態下不會降低土壤含鹽量,但卻在與植物共存後誘發特殊機轉,促使土壤含鹽量降低約,並提升植物耐鹽能力,顯示 OC2與植物存在特殊交互作用。深入研究發現,OC2能產生IAA,並吸引植物根部向其生長以利其進入根部,並在鹽逆境下分泌代謝物以刺激植物合成脯胺酸 (增加達98.5%)提升根部滲透壓、增加葉片類胡蘿蔔素及類黃酮含量以提升植物抗氧化力。植物方面,鹽逆境下植物分泌的化學物質會觸發OC2產生更多的IAA(約17%),藉以刺激植物根系發展以利水分吸收,而OC2的存在會促進根部澱粉酶活性上升達88%,以分解澱粉產生可溶性醣類供OC2使用,推測兩者存在共生關係。本研究展示新種耐鹽菌與植物的交互作用,期待透過此菌改善鹽化農地並能提升作物產量。

突破能量屏障:探討原始固碳路徑中異檸檬酸脫氫酶的角色

原始生命的形成被推論是由化學分子透過自發性化學反應組成簡單的代謝路徑,再由這些路徑組合成為複雜的代謝網絡,最終形成原始的生命。由於自營性的代謝路徑可將無機性的CO₂固定為有機物可謂形成生命的前提,因此推論在自營性微生物所擁有的一種生物固碳路徑,可將CO₂固定進入三羧酸循環的「逆向三羧酸循環」被認為是原始細胞最初形成的代謝路徑之一。然而,以化學反應的自由能考量,自2-Oxoglutarate到Isocitrate 此固碳反應並非自發性反應,並由異檸檬酸脫氫酶催化。異檸檬酸脫氫酶在逆三羧酸循環中是決定固碳反應速率的關鍵酵素之一,在當今正向三羧酸循環中亦具重要的調節細胞能量代謝的功能。有鑑於此,本研究探討源自古老地球環境的嗜熱自營菌Aquifex aeolicus 中異檸檬酸脫氫酶的酵素性質,並期待本研究成果對生命起源的探究及發展新穎固碳技術能有所助益。

圓緣相連—關於忍者通道性質之探討

本作品由2023年IMO的第五題出發,希望探索在忍者通道中的其他性質,首先思考改變每排中放入的球數並觀察規律,進而推廣到三維圓圈塔中的性質,最後使用hyper-cube(超立方體)的情況進行一般化的推廣與構造的優化,完成最小值問題的求解,另外也對於特例部分探索解的總數。

格子點的可見性研究

本文的主要結果有兩部分,第一部分,對於固定的𝑏 ∈ 𝑁以原點 O為觀測點,𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥𝑏, 𝑎 ∈ 𝑄為觀測視線,觀測目標為格子點陣列𝑉(𝑚) = {(𝑖, 𝑗)|𝑖, 𝑗 ∈ 𝑁, 1 ≤ 𝑖 ≤ 𝑚, 1 ≤ 𝑗 ≤ 𝑚 },研究其中可見點的數量與機率。我們發現可見點的數量與歐拉函數及默比烏斯函數有關,可見點的機率也與黎曼𝑧𝑒𝑡𝑎函數具有關聯性。第二部分,對於固定的𝑏 ∈ 𝑁,我們在 𝑥軸與𝑦 軸上布置觀測點,以布置的觀測點為新原點,𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥𝑏, 𝑎 ∈ 𝑄為觀測視線,研究將目標點集𝑉(𝑚 × 𝑛) = {(𝑖, 𝑗)|𝑖, 𝑗 ∈ 𝑁, 1 ≤ 𝑖 ≤ 𝑚}完整觀測的布點方法與數量。得到重要成果如下,設正整數𝑚 ≥ 6且𝑇 ⊂ {1, … , 𝑚 + 1}為一個 𝐹(𝑚) −覆蓋,𝑟為大於𝑚的最小質數,對於目標點集𝑉(𝑚 × 𝑛),建構觀測點集 𝑆2 = {(0, 0), (0, 𝑟)}∪{(𝑡, 0) | 𝑡 ∈ 𝑇},則 𝑉(𝑚 × 𝑛)為𝑆2 −可見。並進一步研究將目標點集改為𝑉(𝑛 × 𝑚) = {(𝑖, 𝑗)|𝑖, 𝑗 ∈ 𝑁, 1 ≤ 𝑗 ≤ 𝑚},發現其所需要的觀測點數可顯著減少。

旋轉的力量–離心力抽水機與其變因對抽水效率的影響

此研究是關於一個離心力抽水機的理論建模和實驗設計,我探討了此抽水機的流量與出口流速、分別影響了時間內抽出水量或抽水落地的位置。在初步的實驗觀察中、我發現抽水時的不同流況以及其影響,並且用定性解釋去描述它的邊界條件。在我流量的理論建模中,我考慮了基本的離心力與重力、雖然這兩種力描述了水的運動、但無法用來預測流量。我再加入白努力方程式來計算壓差、並充分的考慮摩擦阻力在紊流情況和水管材質。之後我利用F=ma推導水受合力的情況、考慮離心力、重力與摩擦阻力能到出口流速的預測。最後將理論裡實驗比較、結果非常相似。我利用3D列印改變6種抽水機的變因,將每項的結果與理論比較、並分析其誤差的原因。最後利用先前的結論能夠的設計一個可客製化與最佳化的離心力抽水機。

運用細胞水膠化技術製作微流道晶片進行抗原專一性T細胞之篩選 Flow-induced Mechanical Screening of Antigen Specific T cells with Biomimetic Microfluidic Chip

積極發展癌症相關治療策略極為重要,其中T細胞免疫療法(adaptive T cell therapy)是一深具臨床價值的選項。即是將T細胞自體內取出後並增殖到一定數量,而後將其回輸病人體內使得T細胞攻擊癌細胞。此方式關鍵的步驟在於必須要能夠篩選出足量的抗原專一性T細胞。現行主要的篩選方法雖然方便,但會誤捕不相關抗原專一性T細胞,降低治療效率。為解決此問題,本研究將利用水膠細胞技術,運用其完整保存生物膜的特性,模仿細胞膜之免疫突觸現象,搭配微流控晶片可控制流速改變沖刷力的特性,成功開發一可篩選親和力較高之T細胞微流道晶片。已在晶片內建立可置換任意抗原之水膠細胞單層,並以SIINFEKEL抗原作為模擬,達到極高之置換率。預期能在未來的研究中提升篩選專一性與數量,進而提升其臨床價值。

開發腸道菌外膜蛋白質純化方法及以AlphaFold 軟體對應合適製程 Developing purification methods for outer membrane proteins of gut bacteria and matching the optimal purification process by using AlphaFold.

可再現醫療效益之腸道益生菌關鍵分子是重要蛋白質,蛋白質純化極重要但傳統方法費時耗力,導致發展腸道益生菌保健食品的成本很高。本研究取用助於改善糖尿病和血脂異常的腸道益生菌 Akkermansia muciniphila 外膜蛋白Amuc_1100為樣品,先以傳統方法開發純化製程,利用親和性層析和離子交換層析找出純化臺灣本土菌株isolate 02和國際標準菌株BAA-835之條件及其差異,確認純化蛋白質可維持3日穩定。本研究進行AlphaFold 電腦模型預測蛋白質結構並進行蛋白質序列分析,發現蛋白質本身結構和電性不同才導致isolate 02和BAA-835純化製程條件有所差異。本研究提供全新展望,透過人工智慧將蛋白質結構對應到合適製程,大幅減少研發純化條件的時程,完善蛋白質純化方法學,並得到可量產且品質穩定的純化蛋白質。未來將選用其他臺灣本土 Amuc_1100樣品以擴大驗證及建立蛋白質結構與純化製程資料庫。