全國中小學科展

臺灣

方格裡的秘密—隨機分布的機率探討

本文研究了一個信息完全公開的組合遊戲,探討當一群人被完全隨機的分配到模型裡時,其初始位置與特定位置所形成的包圍關係,並探討最佳的人力分配。本研究通過座標解析與不等關係的代數運算等方法,成功找出獲勝條件對於遊戲雙方的限制,並進一步解決問題。在研究的過程中,也將結論擴展到不同模型,探討不同模型對於遊戲造成的影響,並比較其結論有何區別。

RBM4調控BDNF表達對發育的重要性

RBM4 是種 RNA 結合蛋白,以其在各種組織中作為剪接調節因子進而豐富了蛋白質多樣性而受到關注。在我的研究中,藉由 RNA 定序找到了可能由 RBM4 主導的選擇性剪接, 包含 Rbfox2、Prpf40b 和 Add3 等,並發現這些剪接事件在不同時間點和組織中存在差異。因為在不同的組織中看到了選擇性剪接的變化,更透過觀察組織切片比較了野生型與 Rbm4 基因剔除的小鼠中其腦部、心臟、骨骼肌、棕色脂肪組織和胰臟的表現型,進而發現這些差異與基因的關聯。 此外,我的研究揭示了 Rbm4 雙基因剔除小鼠在骨骼肌和胰臟中 Bdnf 和一些指標基因的 mRNA 表現量明顯下降。而令人驚訝的是,腹腔注射 TrkB 活化因子 DHF 能夠顯著地完全恢復 Rbm4 雙基因剔除小鼠中的 Bdnf 表現量。這些發現共同突顯了 RBM4 在調控 Bdnf 中的關鍵作用,並展示了 DHF 作為潛在治療方法的有效性。

利用合成生物學重建酵母菌性別轉換系統

本研究旨在解決摩爾定律和庫梅定律的困境,利用合成生物学將酵母菌配型變換的特性改變為一種運算機制。首先,以HO內切酶切割不同配型的酵母菌(MATa和MATα)染色體使其進行配型變換,並用顯微鏡檢視是否達成交配和計算效率。其次,利用同源重組將製造必需胺基酸(TRP1和HIS3)的基因替換配型變換中會置換的配型基因(a和α),將酵母菌配型變換改造為二進位生物運算單元。本實驗設計了引子用於PCR確認酵母菌第三條染色體中是否準確插入TRP1/ HIS3序列。目前成功以HIS3基因轉殖重建酵母菌的配型。這項研究為隨後涉及不同配型變換以及利用CRISPR系統進行計算應用的更廣泛研究提供了基礎。

鈦藻膜—環保光催化材料結合微生物燃料電池之效能探討

我們從聯合國永續發展項目SDGs中,選擇與台灣密切相關的第14項“保育海洋生態”作為我們的研究主題。為了解決原油洩漏造成的污染,我們結合課本提到過的光催化技術,自行研製出了奈米級二氧化鈦-海藻酸鈉小球(以下簡稱鈦藻球),並結合MFC微生物燃料電池技術,企圖解決此問題。本實驗我們選了可自然分解的海藻酸鈉凝膠,替代文獻中塑膠海綿作為光催化載體材料,使裝置的光催化部分完全對環境沒有危害。分解的過程中先利用TiO2的光催化特性,將高分子有機污染物高效分解成小分子有機物,再由MFC微生物燃料電池分解成無害的生物代謝產物,整個過程將相比起現行的處理方式,更加環保,並在過程中產生能源 ,達到永續目的。

沙盒類遊戲式學習平台系統伺服器架設節能效率研究:以Minecraft為例

本研究以 Minecraft 為例,探討沙盒類遊戲式學習平台系統伺服器架設的節能效率,旨在透過動態調整伺服器數量降低總CPU使用率,提升伺服器的管理效能和能源使用效率。隨著線上遊戲的普及,伺服器的營運管理變得越來越複雜,如何在滿足玩家需求並同時降低能源消耗成為一個重要議題。本研究將分析伺服器資源使用狀況,特別是在玩家活動量高低波動的情境下,透過管理策略的調整,探討其對節能效率的影響。 研究透過實證數據的收集與回歸分析,建立一套可應用於 Minecraft 伺服器的節能動態調整系統,並探討動態調整的具體效率。研究結果發現隨著玩家人數增加,越接近系統負載上限,節能效果會越來越不明顯,以本次研究的伺服器來講玩家人數到達35人以後就無法再減少伺服器數量。

麥克納姆輪車直線 360 度全向控制與角度誤差之探討

近年來,作者觀察到餐飲業及飯店業引入自主移動機器人(AMR)提供服務,受到廣泛歡迎。不僅如此,隨著AI的風潮,愈來愈多產業引進機器人補足人力的空缺。就輪式機器人而言,麥克納姆輪具相對優異的機動性和運動靈活性,但傳統麥克納姆輪的行進模式只侷限45度倍數的方向。針對此限制,本研究分析傳統麥克納姆輪的合力方向,通過數學推導和實際控制方式的驗證,確認其18個方向移動的數學式,再利用ESP32-S單晶片的WIFI驅動控制系統,實現並驗證 合力分析結果 接著,進一步 建立 麥克納姆輪的全向 360 度直線移動的數學式, 並且用 PWM 脈波調變,實現全向控制。此外,分析地面材質對車子移動的影響,測試出麥克納姆輪適合的地面材質,針對誤差給出可能的校正方式以達更精密的控制。希望就本研究結果擴展未來的應用範圍及使用價值。

日本南海海槽長微震特性比較及其與環境參數之關聯

本研究利用Slow Earthquake Database長微震資料探討日本南海海槽長微震事件發生的特性、嘗試找出造成此區長微震發生的原因。我們將日本西南部的四國島、紀伊半島、愛知縣依空間細分為八個小區,分區將長微震的資料繪製成圖表,並利用快速傅立葉轉換Fast Fourier Transform進行頻譜分析,尋找該區長微震的活躍程度及復發週期,復發週期為一季至一年不等。另外,我們也將環境參數與長微震的月平均發震時長做比較,發現兩地皆與風速呈負相關、和累積雨量推遲1~2個月後兩者間成正相關、和地下水位高度呈負相關。潮汐與長微震的相關性上,潮位高度的影響較漲退潮狀態顯著, 但兩者均對長微震的發生有著正相關。

構造、力學與能耗比較淡水螺的仰泳機制

我們發現扁捲總科的囊螺(Physella acuta)與椎實螺科的台灣椎實螺(Lymnaea swinhoei)在親緣關係上雖屬不同科,但卻擁有相似的外型並都具有奇特仰泳動作,推測或許是兩者適應相似生存環境後進而演化出相近構造與行為模式。根據我們的實驗結果顯示,囊螺比起台灣椎實螺擁有較佳的翻身仰泳能力, 其螺殼質量不均的特性使其產生比椎實螺大 1.7 倍的力矩助其翻身仰泳,另外囊螺氣囊有著比椎實螺更大的儲質比助其浮沉調節。漂浮方面,囊螺腹部一半浮於水面所產生的表面張力即可支撐其漂浮,而椎實螺的漂浮仍需氣囊協助,無法單靠表面張力。能量耗損上,仰泳比水中爬行擁有近百倍的節能效益,或是因此讓兩種螺類在演化上願意承擔被掠食者發現的風險執行仰泳。未來期待以仿生概念將仰泳的運動模式延伸結合,打造出更節能省電的水中移動設施。

以校園望遠鏡觀測NGC7092星團外圍天區

M39又名NGC7092,是個位於天鵝座方向的疏散星團。本研究選定M39外圍的區域進行觀測,配合分析Gaia DR3在M39天區經過初步篩選的資料,大致符合Gaia DR2資料庫中明確標示的成員星。本作品的觀測資料中,多數星點座落在Gaia資料繪出的CMD圖主序帶中,可以推論本作品觀測的外圍天區還是有不少M39成員星。本次研究觀測到一顆食雙星變星,雖然在CMD圖所座落的位置接近星團主序帶,但在本校的觀測資料在無法得知恆星的自行運動與視差的條件下,要確認這顆變星是否為成員星,只能搭配資料庫的資料進行深度分析,經確認這顆變星應該就是M39星團的成員星。

芋頭生物塑膠材質的熱水即溶包研製

2023年聯合國氣候變遷大會(COP28)決議 2050年淘汰化石燃料。2022年聯合國環境大會制定從源頭減少塑膠垃圾的公約。為了回應這些全球目標,本研究利用廢棄芋頭皮的黏性製作生物塑膠,用於泡麵內調味料的熱水即溶包。常溫下為調味料包裝袋,熱水沖泡後即可溶解,成為富含營養的食材。 我們發現有八種配方能夠成功使其成形。其中,成本最低的配方為芋頭:明膠:小燭樹蠟:甘油:水=20:15:9:9:70。該產品在76°C以上的熱水中能夠溶解,第一次裂解時間為8秒鐘以內,之後會完全溶解。該裂解時間y(s)與溫度x(°C)的關係為:y=9.53×10¹¹x⁻⁵.⁹⁸。這使其適合用於泡麵時的熱水溫度,約 80°C以上。 物理性質包括:拉伸強度為0.70kgf/15mm,伸長率為20.4%,密度為1.11 g/cm³,含水率為20.3%。所有配方成分皆可食用,並可溶解於熱水中,適合作為泡麵調味料塑膠包的替代品,有助於減少農產廢棄物的處理量。