全國中小學科展

臺灣

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。

神經胜肽Urocortin對微膠細胞抗發炎、吞噬的作用

腦溢血是由於腦血管的破裂出血所致的嚴重醫療事件,雖能以開顱手術降低原發性腦損傷所致的物理傷害,但尚無特效藥能改善患者手術預後。本研究旨在開發腦溢血治療的新療法。藉由紅血球與微膠細胞(BV-2 Cell Line)的離體實驗模擬腦溢血病患殘留於腦中的血腫塊與微膠細胞在腦部的吞噬情形,探討神經胜肽 Urocortin (UCN)的清除血腫塊的療效。以螢光標籤的方式確認微膠細胞的紅血球吞噬作用,分析 UCN 對微膠細胞吞噬紅血球的量值 (Phagocytosis Index)、及發炎(M1)/抗發炎(M2)的基因變化(RT-qPCR),發現 UCN 能有效增強微膠細胞的吞噬能力,同時亦能調控其 M1/M2 的作用。期望此研究結果能有助於了解 UCN 清除腦血腫塊的作用,作為開發腦溢血新療法的參考依據。

Down Syndrome Cell-adhesion Molecules 基因參與果蠅神經迴路發育的細胞機制

人腦中約有一千億顆的神經細胞 (王希文,2018),他們之間的突觸錯綜複雜,這些樹突與軸突皆連接到正確的位置,讓人不禁好奇這些突觸的連接機制。在經過文獻的查詢過後,才發現Dscam是控制大腦發育的蛋白質之一,Dscam使得細胞能夠進行細胞辨識,能夠使軸突及樹突在腦中進行特定的連結而不致於黏合。目前我們尚未知道,Dscam 會如何影響嗅覺區域中介神經細胞的生長及神經連結,本研究針對黃腹果蠅(Drosophilamelanogaster) 大腦中一小群被 GMR51C07-GAL4標定的嗅 覺區域中介神經元,觀察在正常情況、Dscam過度表現、Dscam表現量受抑制下,這群神經元的型態如何發生。

解決機器人等距回程路徑問題的數學模型及其擴展

本研究主要目的是研究機器人以等距行進方式從起點前進回到起點的回程路徑問題。 主要以三角函數、遞迴數列、數學歸納法等數學模型來探究、推演與論證,同時利用數學電腦軟體來計算與驗證。一開始先利用Geogebra來探索原始題目,初步得到一些性質和結果;接著,再延伸題目,依不同的起始點位置,探討步數和角度的關係、行進過程中各落點位置的遞迴關係與回程路徑。最後,再將兩條相交直線延伸成三條共點的直線,並依其間的夾角度數,探討以等距行進方式從起點前進回到起點的回程路徑數問題。 本研究根據所建構的數學模型,依不同起始點位置,構作出機器人以等距行進方式回到起始點的回程路徑圖,並得到此回程路徑上相對位置的遞迴關係。本研究在研究過程中,得到一些有趣的數學理論,期望這些成果未來能夠應用於AI機器人運動模式的相關領域。

以深度學習進行籃球慣用動作分析

本研究聚焦於籃球員的慣用動作分析,透過深度學習技術開發了一套籃球動作分析系統,旨在準確分析籃球員在籃球運動中的個人動作特徵來進行動作辨識。我們透過自行蒐集籃球動作的影片,並使用MMAction2這個資源庫來進行動作辨識模型的訓練,將訓練好的動作辨識模型用開發慣用動作分析系統。系統流程首先使用滑動視窗(Sliding Window)的機制將即時拍攝的影像變成有序列的連續影像片段,再即時傳送至進攻動作辨識的深度學習模型中,來辨識出連續影像片段中的動作序列屬於何種特定動作,藉此將多個連續影像片段中的動作序列各自轉換為單一動作單元並依次輸出。最終,系統基於前述單一動作資料進行綜合分析,以統計使用者的籃球慣用動作。此分析系統能為籃球愛好者提供清晰的動作偏好資料,具有提升訓練成效的潛力,同時為籃球技術分析與訓練提供了一個精確的數據分析工具。

A Real-time Home Health Monitoring System with Motion Waveform Using Millimeter-wave FMCW Radar

本研究提出了一種基於毫米波FMCW雷達的即時居家健康監測系統,與RGB攝影機感測器方案相比,該系統更具成本效益並保護用戶隱私。對於居家健康監測系統來說,除了走、站、坐、臥四種常見的身體動作外,及時發現緊急情況也至關重要。因此,我們支持跌倒偵測以及兩種手勢的識別,一種用於頭痛,另一種用於緊急事件。然而,由於雷達點雲的稀疏和不規律特性,我們提出一種新的身體動作波形表示方式和一套處理程序用來平滑動作波形,利用雷達點雲的三度空間座標和速度在時間序列上的變化波形來表示動作特徵並作為神經網路的輸入,再搭配一輕量級的1D-CNN+LSTM神經網路來實現即時動作辨識。根據實驗結果,此方法可以達到30FPS的輸出效率和94%的辨識準確率。

探討玉米不同種原間減數分裂染色體互換之差異

減數分裂是育種的基礎,透過其中的遺傳重組可以分離連鎖的基因,提供研究和篩選優良基因組合的機會。然而每次減數分裂中的遺傳重組數目存在自然限制,也就是每對同源染色體平均僅發生兩個互換,且大多位於染色體的末端,這使得在研究或育種的過程中,尋找理想的遺傳組合變得極為耗時。本研究採用免疫螢光染色技術來分析玉米不同品系,在減數分裂時遺傳重組發生的數量,目的是探討多樣性的基因種源是否影響遺傳重組的數目。研究結果顯示,不同玉米品系間的遺傳重組數目具有顯著差異,且呈現分群的現象,這表示不同基因種源可能帶有差異性的重組調控相關基因。基於這些發現,我們期待未來能深入研究影響遺傳重組數目和位置的機制。

無限棋盤上的各種騎士

騎士巡遊是一個著名的圖論問題,指的是給定一特定大小的棋盤,讓騎士透過日字型移動看是否能不重複的通過每一個點,若最後回到原點,則稱為哈密頓迴圈(閉循環),若否,則為哈密頓路徑(開循環)。而這兩種問題前人都已經研究出了成立條件,因此我決定研究當騎士不再透過日字型的移動會發生什麼事,並探討能否透過特定移動方式,讓騎士能夠在無限大的棋盤上,不重複的通過每個格子點形成開循環。 而我的想法是先透過尋找騎士能走出來的單位圖形(矩形等能夠拼接成無限大平面的圖案),如此,我的目標是著重在找出他們的單位圖形並想辦法拼接。

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。

探討不同環境因子對左手香抑菌成分合成與效能之影響

左手香是熱帶及亞熱帶地區常見的植物,文獻顯示左手香的廣泛應用如抗發炎、鎮痛及 抗菌等功效。本研究以抑菌功效為研究起點,探討主要抑菌成分(百里香酚、香芹酚)在何種環 境下可提升其含量;接著討論此兩種成分對於左手香及環境的影響。結果顯示斑葉左手香內 百里香酚與香芹酚含量較高;兩種抑菌成分對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌及腸道沙門氏菌有 抑制效果;不同光照時數、光照強度的實驗中,6小時與9小時搭配高強度光照,百里香酚及 香芹酚含量最高;適度逆境可促進香芹酚合成。最後發現左手香葉片對土壤菌群亦具影響, 顯示其可能干擾微生物生態。本研究結果可為天然抗菌劑開發、醫療及永續農業提供參考, 並促進左手香在多領域的應用潛力。