全國中小學科展

臺灣

以水代法將廢棄鰻魚骨製成營養食品添加物的永續解方

本研究採用創新設計的「水代法」處理養殖鰻魚加工後廢棄魚骨,成功解決過往鰻魚骨含油量高,無法利用而丟棄的環保問題,使生物資源得到充分利用。透過「低溫烘乾前處理」製成的鰻魚骨粉香氣與口感俱佳,適合作為食品添加物。 水代法是將鰻魚骨在90℃水溫、粉水比1:3狀態,藉由攪拌、壓榨去油,不僅保留營養成分(蛋白質、鈣質、磷質),同時降低高達90%的脂肪含量。水代產生的處理液可進一步開發為胺基酸萃取物和鰻魚油,創造多元的商業價值。「食鹽水浸泡處理」取代較不環保的「強鹼處理」製作鰻骨鈣粉,可有效減少環境負擔。本研究製程簡便且低耗能、低耗水,可降低成本,顯著提升產業競爭力和環境效益。

旋風登台,引領流型—探討西行侵台颱風之流型變化與實驗模擬

為瞭解台灣地形對西行侵台颱風的流型影響,本研究分析 24 個西行颱風於不同經度時的連續流型變化並加以歸納,我們將流型分為 5 群,分別為沿山流型、東側尾流總型、登陸流型、過山後流型、以及阻擋流型,且又分為 13 次分類,並將各種流型發生時的颱風中心位置以地圖標示之。我們發現,相似路徑的颱風會有相似的流型變化。 為了進一步探討氣流在地形作用下的變化,及造成的邊界層現象,我們開發出氣流場裝置並搭配保麗龍沙作為介質進行模擬,以雷射光分層掃描觀察不同高度的氣流走向,發現低層輻合旋入、高層輻散旋出的現象,此結果非常接近真實的颱風結構。我們也以台灣形障礙物觀察滯留、尾流、輻合及背風旋生等現象,獲得與實際颱風案例一致的結果。

驚「掏」駭浪—消波塊與沙灘地形對沙石掏空量的影響

本研究使用水槽、自製造浪器,模擬海岸環境,探討消波塊的擺放角度、擺放密度,以及沙灘的水深、坡度、波浪強度(造浪器頻率),對沿岸沙石侵蝕面積的影響。利用image j 分析在不同因素下消波塊周圍沙石侵蝕之面積,以及其隨時間的變化。研究結果發現,在不同擺放角度中,消波塊之兩角面向波浪時(本研究定義為0度)其下沙石侵蝕面積最大;在擺放密度中,發現擺放越多的消波塊,其侵蝕面積越大;在沙灘水深不同時,當水深越淺時,其侵蝕面積越大;當沙灘之坡度越大時,其侵蝕面積越大;當造浪器之頻率越大時,其侵蝕面積也會增加,而計算體積時,發現在不同擺放角度下,掏空的體積與侵蝕面積成正相關。

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。

利用震源回歸建立斷層面

為降低鑽探所耗費的資源,我們發現可透過震源回歸板塊隱沒帶,萌生出運用地震震源計算斷層平面的方法,因此我們用「2018/02/08 吉安地震」、「2022/09/17 關山地震」、「2022/09/18 池上地震」、「2022/09/18 富里地震」、「2022/06/25 光復地震」、「2018/02/06 花蓮地震」、「2022/02/04 峨嵋地震」、「2022/02/04 新城地震」這 8 個地震為參考資料,並使用 Python 中的LinearRegression 函數建立線性迴歸模型以及使用 fit 函數對模型進行訓練,最後 3D 列印出花東縱谷與中央山脈斷層的差異。可發現兩地區斷層皆為南北走向,花東縱谷斷層的傾角為東傾 69-54 度,而中央山脈斷層則為西傾 60 度左右。

AI災後現場守護通

本研究針對2024年花蓮地震後災難現場人員管控問題,開發「AI災後現場守護通」系統。研究動機源於觀察到非救災人員擅闖管制區域,危及自身,更影響救援效率。本系統採用Google Gemini API進行影像辨識,透過Arduino開發板整合攝影模組,即時辨識救災人員與非救災人員,並透過LINE BOT發送通知。 研究分兩代系統開發:第一代使用NMK99開發板,日間準確率達86.7%,但夜間僅64.4%;第二代改用AMB82mini開發板,增強夜視功能與離線警報(LED燈+蜂鳴器),日間準確率提升至94.4%,夜間達85.6%,整體平均90.0%,反應時間在3秒內。 本研究創新結合AI視覺辨識與物聯網技術,建立零訓練即可部署的災後管理系統,不僅適用於地震,亦可延伸至其他災難場景,為災難管理提供科技解決方案。

一價銠金屬催化肉桂胺衍生物進行不對稱氫芳基化反應 Rhodium(I)-Catalyzed Asymmetric Hydroarylation of Cinnamylamine Derivatives

一價銠金屬催化反應已經被廣泛應用於有機化學合成領域中。而本研究以具保護基之肉桂胺衍生物1與四芳基硼鈉試劑2a作為起始物進行銠金屬不對稱氫芳基化催化反應,得到具有保護基的掌性2,3-雙芳基丙胺衍生物3,並探討此反應的掌性雙烯配基對於反應的影響。本研究已完成使用Ts(對甲苯磺醯基)保護基之肉桂胺衍生物1a作為起始物進行反應,並改變與銠金屬錯合的配基,發現當配基使用2,5號位為芳基取代之配基L(掌性雙環[2,2,1]雙烯配基)時,反應有較好的位置選擇性,其中最佳的是芳基取代為苯基之配基L1,其位置選擇性比例為1:0:0.09。目前將進行改變起始物1之氮上的保護基,以L1作為配基進行反應,並與1a比較,優化反應性及產率。

偏心馬達振動對物體運動速度之影響

本研究探討振動體運動。調控馬達轉速帶動離心錘旋轉。閃頻同步測量轉動頻率,並追蹤軟體分析運動軌跡,各頻率下平移速度。 離心錘逆時針旋轉高於 24Hz開始運動,移動速率與旋轉頻率關係:理論值 26~47Hz轉一圈向右移動,47~56Hz 轉兩圈向左,56~65Hz 轉三圈向右,並以起跳至著地空中時段,合力向右或左比例,分析運動方向。 力圖分析列出水平驅動力、正向力、摩擦力等時間函數建構理論模型。由 Desmos軟體計算水平移動速率,藉頻率調控正向力、摩擦力,計算得各頻率下振動體速度,進行理論與實驗比對後,幾乎完全吻合,驗證此理論模型正確性。 安裝加速規得垂直加速度與時間關係,類似鋸齒波與正弦組合,似乎可由振動體底座為具彈性珍珠板加以解釋。

分割子三角形的內切圓與旁切圓之新性質

關於三角形的分割子三角形之內切圓問題,我們設定了幾個新的研究項目並且得出豐富的成果。第一,子三角形的切圓的切點重合性質;第二,子三角形的切圓「半徑長度乘積不變量」;第三,兩點圓心連線性質以及三點圓心連線三角形的面積不變量。首先,我們給出一般化的切圓之切點重合分割存在唯一性。在此條件下,其切圓的圓心均落在一個拋物線,這是很有趣結果。我們再依序探討兩個、三個到多個子三角形,先給出內切圓與旁切圓半徑長度乘積與邊長的關係式,並且發現了不變量。最後探討三點圓心連線三角形面積不變量。值得一提的是,看似不相關的「圓心連線三角形的面積比值」與「半徑長度乘積比值」居然是等價,這是本研究亮點。最後我們完整給出分割為三個子三角形的所有面積不變量的所有組合。

Expected edge number of closed walks in a simple graph

對於一個連通簡單圖G,由點v作為出發點,每次皆以機率均等的原則選擇一條邊移動,在點跟邊都可以重複使用的情況下,移動的過程將依序形成一條道路,當第一次走回v時,則形成特殊的封閉道路,本文的研究是探討這種特殊封閉道路的邊數期望值。考量移動的過程中能否立即回頭,我將問題區分為兩種類型的期望值,利用矩陣解聯立方程組的概念,提供了演算法來求解。此外,我也進一步探討兩個期望值之間的相關性,並利用圖的總邊數以及點度數來刻畫期望值。我亦試著修改機率均等的原則,將選擇邊的機率一般化,探討期望值的特殊性質,從中刻畫出充分必要條件。