全國中小學科展

臺灣

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。

氣泡的作用範圍與氣泡性質的關係-氣泡的實際應用

現今的海洋環境問題及海上國防安全問題已成為現代人密切關注的焦點,為了解決每年 800 萬噸的垃圾流入海洋和烏俄戰爭的黑海水雷,我們設計了氣泡牆攔截河道垃圾及排除船艦周圍的飄浮式水雷;為了解氣泡牆攔截垃圾的效果,以及氣泡系統對水雷的推開程度,我們設計以下三組實驗:打氣深度與作用範圍的關係、氣泡排放量與作用範圍的關係、水流的偏折角與瞄準誤差關係。當氣泡牆與物體速度方向夾 45 度角時,可以由水流的偏折角與瞄準誤差的關係式得知,兩氣泡中心的間距約在 10cm 時擁有最佳經濟效益。在製作排除水雷的氣泡牆時,根據打氣深度的關係式得知,打氣深度越深越符合經濟效益。依照氣泡排放量的關係式得出,以上兩組氣泡應用在氣泡排放量 4L/min 時最符合經濟效益。我們依照實驗數據找出最符合經濟效益的各項氣泡牆參數,以解決海洋垃圾問題及漂浮式水雷的威脅。

A Study on the Dynamics of Coupled Oscillators within Magnetic Environments

此研究針對磁力耦合振盪器進行理論建構與實驗設計,在理論建構中,我們先以彈力作為外力並推導公式,與實驗數據擬合後發現擬合參數極具參考價值。將磁力引入系統並推導公式,發現其與實驗數值擬合效果也極好。融合上述公式與參數後推廣出能描述振盪器運動模式之運動方程式,以Python數值模擬發現,此方程式與數據十分吻合且能產生波包與頻率下降等真實情況,故推論該運動方程式是有一定價值的。在傅立葉分析中發現了簡正模之應用,且當磁鐵初始距離越短或磁力強度越大時,振盪頻率都會有所提升,而初始位移不會造成影響。而本研究的成果將可透過一已知磁性量值之磁鐵求出另一板簧上物質之磁性量值,進而應用到新型機械式磁性雙板簧的懸臂磁力計設計。

探討地震相關因子對於斑馬魚社交行為之影響

台灣地震次數頻繁,除了地震帶來的自然災害以外,地震也會造成生物的心理焦慮及恐懼。斑馬魚是一種群居動物,可以表現群聚、侵略、恐懼、焦慮或是警戒等行為,因此斑馬魚的行為表現是分析社交行為的理想實驗模型。本研究目的為探討斑馬魚的社交行為是否會受地震之影響,藉由模擬地震的發生來觀察斑馬魚社交行為的變化。在斑馬魚潛水實驗(Novel tank diving test)發現在模擬地震強度 4.5 級的晃動後斑馬魚待在上層水域的時間下降;鏡像啄食實驗(Mirror fighting test)中則發現處理組的魚經由模擬地震強度 4.5 級的晃動後攻擊次數和打鬥週期皆顯著上升;而在社交偏好實驗(Social Preference test)中發現經過模擬地震 4.5 級晃動後的斑馬魚將會更傾向於靠近其他熟悉的個體。斑馬魚在地震來臨時會感到不安和焦慮造成其警戒心上升進而提升其攻擊慾望,也會更傾向靠近熟悉的同類維持安全感。

基於深度學習與自動化技術降低桌球硬體需求之開發

桌球機器人技術長期以來一直受到技術和成本挑戰的制約,限制 了其廣泛應用。深度學習和自動化技術的發展提供了新機會,特別是 長短時記憶(LSTM)模型的應用,可有效強化桌球軌跡時域資訊預測結果,並同時減少硬件要求,提高成本效益。 此研究強調軟體創新,透過程式控制與機器視覺,達到多目標辨識與硬體協作之功用,同時使用易得之零部件構建硬體,進而降低成本。不僅如此,本研究亦克服多個技術挑戰,包括相機校正、空間定位、乒乓球追蹤、模型訓練、機器人控制等相關議題,並在最後完成建造低成本桌球協作機器人,從而達到技術突破與實務應用之可行性, 為機器人技術在娛樂、體育等領域帶來新發展潛能。總結而言,本研究透過深度學習和自動化技術之應用,為該領域帶來學術和實際創新價值,開創未來之嶄新發展可行性,並提供實務應用創新展現。

以廢棄香灰與陶瓷3D列印製成磚瓦於改善環境酸雨與碳捕捉應用功效之研究The Study of the Utilization of Waste Ash for Ceramic 3D Printing Bricks to Improve Acid Rain Issues and Carbon Capture Applications

廢棄香灰處理不易且對環境具危害經定性分析知有 47.74% 鹼性物質 CaO。本研究以廢棄香灰製成屋瓦及地磚,探討與酸雨酸鹼中和之可行性,經歷一年多且進行多次屋瓦逕流及浸泡酸雨實驗,觀察到香灰試片與酸雨中和效率和內含香灰比例呈現正相關,結果顯示摻入5%~20%香灰所製成的屋瓦的酸鹼中和能力皆適合臺灣環境使用且經一年放置於自然環境實驗仍具有良好的酸雨中和能力;若欲同時具有酸雨酸鹼中和與碳捕捉能力,則以含 10%~20%香灰為佳。摻入超過 20%香灰製品則降低陶製品之黏性導致無法成型。香灰製品相較於傳統屋瓦有製程價格低、高耐用性和酸鹼中和效率高等特性,可作為屋瓦材料或地磚的新發展。製作地磚部分因水泥會包覆香灰陶粒,因此採孔洞較大的陶瓷摻雜香灰進行 3D 列印,可快速製作不同環境應用之地磚,亦可同時具有碳捕捉與酸雨酸鹼中和之功效。

雙層式水平軸風力渦輪機葉片結合尾流之探究

本研究主要目的為改變風力渦輪機的結構,將原始的單層葉片設計改為雙層葉片,當風流過第一層葉片時將產生尾流效應,使葉片後氣流產生偏轉,若將第二層葉片更具此氣流偏轉區域調整,將能有效的提升發電效率。根據實驗結果顯示,葉片後的尾流造成氣流偏轉的角度約為 15 度,因此當渦輪機的兩層葉片位於理論最高的相位夾角時,應再減去 15 度的尾流偏轉角,該夾角才為最大的發電效率配置,基於此結果所設計的渦輪機,儘管與單層葉片渦輪機具有相同的葉片數量,卻能提升發電效率約 40%,同時相關文獻指出,葉片的成本約佔整體發電機總成本之 14%,因此透過使用本研究之作法,預估可降低約 18%的成本,整體而言,本研究之設計不僅能提高風能發電效率,同時將有效的減少成本,未來具高度前瞻性。

Look your eyes,know your life~A portable body detection device

本研究是基於去年的 PBC(Protect Brain Cylinder)作品[1],並根據評審指導將作品做了大幅度修改。相較於 PBC 需要一個額外的裝置,本研究僅須在手機相機前方,安裝光源處理模組,搭配本團隊開發的 App,即可清楚地拍攝出瞳孔影像。並經由 App 中的影像分析功能,即可在影像拍攝完成後的兩秒內完成分析, 並將結果繪圖呈現在手機螢幕上。偵測的時間相較 PBC,大幅縮短了 60%。 相較 PBC 僅能偵測患者瞳孔直徑對光刺激的反應速度。本研究除了大幅縮短偵測的時間外,在結果分析及應用上更有長足的進步,能判斷出以下的五種身體狀況: (1)瞳孔形狀 (2)虹膜脂質堆積環 (3)鞏膜血絲分布及比例 (4)水晶體混濁與白內障關係 (5)瞳孔直徑對光刺激的反應速度與酒測值的關係 本研究除了藉由偵測瞳孔來判定身體狀況外,更開發出了身體『傷口大小量化』功能。希望協助醫護人員一機在手,即可解決上列的臨床問題。

光控生產不同硬度之蛋白質電紡絲生醫材料

隨著大數據與人工智慧的發展,新藥的研發周期大幅縮短,模擬體內微環境的體外細胞培養平台能降低動物試驗成本,滿足快速提供新藥檢測資訊的需求。本實驗開發一種以膠原蛋白衍生物建構的支架型三維細胞培養平台,以貼近體內環境為目標。我們以甲基丙烯酸酐化明膠(Gelatin Methacryloyl, GelMA)的電紡絲奈米級纖維製作支架,藉由不同紫外光照時間,調整支架軟硬度,觀察 NIH3T3 培養於支架上的細胞形態變化。材料拉伸試驗顯示在照光3分鐘(光能量2.88焦耳) 和照光 25 分鐘(光能量 23.96 焦耳)條件下,分別可得到楊氏模量 293kPa 及 1035 kPa,能在硬度上近似人體血管和皮膚。

Establishment of a bacteria-based delivery approach in regulating mosquito development as a novel vector control strategy

登革熱是由埃及斑蚊傳播的疾病。近年其分布範圍不斷擴大,造成數百萬人死亡。病媒蚊控制對於防止疾病傳播至關重要,但目前尚無安全有效的疫苗以及治療藥物,過量倚賴殺蟲劑又造成病媒蚊抗藥性與環境問題,因此開發新型替代方案是當務之急。 本研究完成了一種 RNAi 新型殺蟲劑。以埃及斑蚊體內的 ADAM12d 作為標靶,由 qRT-PCR 評估,採用 RNAi 干擾的方式進行研究。經基因選殖後透過細菌載體,大量複製出 dsRNA,投放至埃及斑蚊二齡幼蟲的生活水域,抑制ADAM12d 表現。 結果顯示此 RNAi 殺蟲劑在發育過程使幼蟲出現蛻皮異常、生長緩慢、死亡率增加,達到減少病媒蚊的繁殖與孳生。亦已著手於實作層面研究。本研究結果將有助於確定 ADAM12d 的生物功能,也成功以 ADAM12d 基因作為一種新型的生物防治法。此 RNAi 的方式不會連帶殺死其他蚊蟲,也是完全針對有害病媒蚊蟲的,符合現行生態需求,有望成為有效新型藥物。