全國中小學科展

2019年

利用深度學習預測中草藥的藥性功能與毒性

近年來中醫在慢性病的治療上已獲得很大的進展,許多中草藥的功能與特性皆是利用人體實驗來找出其效用,中藥內含的成分極為複雜,其功能與毒性測試常依賴於過去經驗醫學,許多中藥仍有待探討與實證,其對人體細胞和基因的影響仍不如西醫。因此目前國內外紛紛開始建置中草藥、成分、化合物相關數據庫供查詢,然而如何讓中醫的功能與毒性科學化變得是很重要的議題。本研究利用化學結構的數據分析來探討中藥成分與人體臟器與毒性的關係性。我們採用深度學習模型以中草藥的化學性質作為輸入,透過化學結構的圖像傳播,來預測中草藥相對應之臟器有效功能與毒性預測,希望透過本研究可以提供中藥對健康影響的依據並作為未來輔助中醫的工具,讓人們可更加了解食用中藥對人體可能有的正面與負面影響。

Improving Communication for the Visually Impaired Through an Innovative Arabic Writing System

Visual impairment is a major global health problem. In 2017, WHO estimated that there were 253 million people worldwide with this ailment. According to the journal of the American Medical association, the prevalence of visual impairment in the Saudi population is 9.3%. Learning Braille by families of students with visual impairments remains a major obstacle, which precipitates several communication issues. Moreover, difficulties for the students themselves lie in learning braille with languages that include diacritical marks; consequently, affecting their academic progress. My main objective of this project is to help improving life quality of these individuals, and the focus is to advance their social productivity and adaptation. This was accomplished through creating a new simpler Arabic writing system using geometrical shapes. As a part of this project, fifteen participants with visual impairments were interviewed and tried this new writing system; two of them are adults between 25 and 40 years old while the rest are students from 9 to 17 years old. Additionally, 100 participants with visual impairments completed a survey. The data showed that students learned this system in two hours in comparison with students that mastered braille in a few months. This shows that this system is easier to learn and subsequently saves time and effort. The most important value added to this project is that diacritical marks were combined with the alphabet, thereby considerably reducing book sizes compared to Braille-written books. This project presents a novel system that helps people with visual impairments to increase their confidence and independence.

應用仿生機器人於蜂鳥起飛行為之研究

本研究利用仿生機器人(Biomorphic robotics)來探討蜂鳥(hummingbird)在不同重量變化下的飛行機制。本實驗利用了使用多連桿結構組成的仿生蜂鳥機器人,並使用懸吊裝置來模擬不同重量的蜂鳥,再藉由慢動作高速攝影機來紀錄蜂鳥振翅飛行的過程。透過影像分析與紀錄重量變化來分析仿生蜂鳥拍翅時的動態行為後,我們可以得到與仿生蜂鳥重量相對應的上升力結果與不同蜂鳥重量下相對應的拍翅頻率數據。我們從這些關係分析作圖並推導出對應的公式,這些結果可以解釋為何大部分蜂鳥重量都介於10 - 20克以及拍翅頻率介於20-50Hz,目前尚未有文獻發現及探討這些相關現象的研究,此研究的結果可作為未來微型撲翼機(ornithopter) 的設計參考,有助於微型軍用探測機械與小型空中救援機械的發展。

眼位變變變-蝌蚪變態前後眼睛型態轉變之研究

兩棲類是一群可以在水域及陸域棲息生活的動物,幼體期蝌蚪生活在水中,具尾巴可四處游動,多數為濾食或刮食,但變態後的成體青蛙主要生活在陸地,吐出長舌捕食會動的生物。因此蝌蚪變態前後不僅生存環境大為改變,攝食行為也從被動取食轉為主動攻擊,所以推測牠們在變態過程中,眼睛位置會有所變化,形成更大的雙眼(立體)視覺區,適應變態前後的劇烈改變。本研究運用向量幾何作圖方式,將頭部眼睛位置座標數值化後,分析不同蝌蚪變態前後眼睛位置與雙眼視覺的變化情形,試著找出變化趨勢與棲地、行為或演化之間的關聯性。結果發現不同眼睛類型的蝌蚪在變態過程中,眼睛位置會有不同的轉變過程,但變態之後,眼睛皆會往頭部兩側移動,眼睛至吻端的距離變短,導致雙眼視覺區變大,更具立體視覺,可精準判斷獵物位置。此外也發現蝌蚪視野範圍主要受水層高低影響,高水層蝌蚪眼睛位於頭兩側,低水層蝌蚪眼睛則生長在背部。成蛙視野範圍影響因素有棲地、行為及親緣關係,棲地分析結果顯示會在水陸兩邊活動的成蛙視野範圍最大。水棲型的福建大頭蛙具有強領域行為,陸棲性黑眶蟾蜍具瞄準捕食行為,故雙眼視覺都較大。同屬於樹蛙科的蛙類雙眼視覺大小的影響因素主要與為活動高度有關,樹棲型樹蛙因需在樹林活動,演化出較大的雙眼視覺,以利判斷空間位置。艾氏、王氏與碧眼樹蛙等親緣關係接近的姊妹種因生殖行為類似,蝌蚪與成蛙都演化出具有相似的眼睛型態。

自轉易導致presupernova階段 ? 探討恆星自轉於演化過程及最終狀態扮演之角色

自轉是塑造恆星演化的關鍵物理因素(A. Maeder et al. 2012),然而,在一些研究當中,模擬恆星演化仍會選擇忽略旋轉的影響(Pietrinferni et al. 2004),這開啟了我探討自轉在恆星演化扮演的角色之興趣,於是展開以下研究。MESA(Modules for Experiments in Stellar Astrophysics)為一專業天文物理界中普遍使用之電腦程式,能模擬各種恆星演化場景,本研究藉由MESA模擬不自轉至具自轉程度差異之恆星演化模型,探討其演化過程之變化及最終狀態之差異。研究結果分析發現自轉混合導致不同殼層位置之元素有更好的對流性,因而產生較好之化學同質性質 (Chemical Homogeneous),而自轉效應在驅使恆星進入presupernova階段亦有一定程度的重要性。

以狀態有向圖探討跳躍數列方法數

本篇研究針對跳躍進行數列本身意義的探討,用新的數列V表示跳躍數列的接球狀況,接著利用狀態有向圖定義出表示跳躍數列球在空中狀況的「頂點」以及表示跳躍數列內數值的「邊」,而迴圈狀況即為跳躍數列的情況下我們利用鄰接矩陣的想法進行探討,並且最後利用跡數的方式進行跳躍數列形式的討論。不同於文獻中僅針對用球數b和跳躍數列字串長度n做為討論,本篇研究增加了代表著跳躍數列中數值可達到的最大數值s(也代表著表示跳躍數列球在空中狀況的「頂點」長度),針對用球數為1顆的情況下為k階盧卡斯數的數值,而在其他用球數也有好的結果,並且針對不同情況下的跳躍數列整理出遞迴關係式以及生成函數。最後,在本篇研究中也找到許多在OEIS上所沒有的數列,並且給予這些數列有不同的解釋。

Effect of Air Resonance by Wind Speed Difference on Falling fruit

This study completes an air vibration equation expressed wind speed slope and wind speed. First, preliminary experiments identified air vibrations when wind speed differences occurred over distance. Several air fans were connected in series and the rotational speed of the air fan was adjusted to vary the wind speed with distance. At this time, only certain pendulum oscillates during a particular wind speed slope. It was expected that the pendulum would shake because the frequency of the air due to the slope of the wind speed was equal to the natural frequency of the pendulum. In addition, relatively short pendulum swings in large wind speed slope, long pendulum swings in short wind speed slope. After calculating the natural frequency of the seasonal growth of fruit using the physical factors model, we experiment how resonant frequency was related with cone length, angular width, wind speed, velocity and secondary derivative. the actual experiment analyzed the natural frequency of the fruit and resonance from the air vibration as the linear function of the wind speed, velocity, and secondary derivative. The experiment determined that the pendulum of a specified number of frequencies resonated with a particular wind speed pattern. It is judged that the vibration of air is related to first derivative of wind speed depending on speed and distance. However, it is very difficult to express the flow of nonlinear fluids as a function of simple function, particularly the effects of air vibrations caused by wind speed second derivative, which appeared to be associated with forces. This is a task that needs to be solved through further research.

藉由雙硫化物交聯製成的植物核酸奈米粒子可當作穀胱甘肽誘發的抗癌藥物載體

由於人工合成的化學材料在包覆藥物進行人體醫療測試時,不可分解性會帶來體內累積的毒性,搜尋各類化合物的結構後,發現核酸上的含氮鹼基具有一級胺結構,可和天然交聯劑京尼平或DTSSP進行反應,因此,本研究抽取水果的核酸進行實驗,利用界面活性劑乳化的過程中將阿黴素(DOX),包覆進入交聯後的核酸水膠,穿透式顯微鏡的結果顯示交聯後的水膠結構是球狀,平均粒徑大約是120奈米,核酸本身帶負電,水膠有包覆藥物的界面電位稍微減少負電,利用人類正常肺上皮細胞進行水膠共同培養,2毫克/毫升的水膠溶液在連續培養48小時後,並不會造成細胞死亡,奈米水膠在pH值5.5釋放DOX的量比pH值7.4還要高出27%,有奈米水膠包覆DOX的情況下,更能有效率進入癌細胞內與引起癌細胞毒性,本水果核酸製成的奈米水膠在生物體可分解的無毒包覆材料上,於未來可提供一個新的藥物載體參考。

上皮細胞黏著分子(EpCAM)促進大腸癌細胞中對於艾瑞莎(Gefitinib)之抗藥性研究 EpCAM enhances Gefitinib-induced drug resistance in colon cancer cells

上皮生長因子受體 (EGFR) 已被確認在人類上皮惡性腫瘤扮演重要角色,因此臨床上開發出許多針對EGFR之大腸癌、肺癌等的小分子標靶藥物,但治療期間所產生的抗藥性仍是一大瓶頸。 過去上皮細胞黏著分子(EpCAM)只被認為是胞間連接分子,現今則在癌幹細胞 (cancer stem cells,CSCs)等領域被研究。然而從文獻與先前實驗室的試驗,可以看見EpCAM促進癌症抗藥性的可能。 本研究發現在大腸癌中,艾瑞莎 (Gefitinib) 會透過轉錄因子FOXO3a促進細胞凋亡,而EpEX會經由抑制FOXO3a所促進的凋亡路徑,導致癌細胞產生Gefitinib抗藥性,且此抗藥性,也與EpICD下游之誘導性多能幹細胞相關基因 ( iPS-related genes )的表現有關,但其分子機制尚不清楚。 本研究以大腸癌與Gefitinib做為癌症與EGFR小分子藥物的模型,找出EpCAM可能造成的抗藥路徑,未來可應用在各類癌症之聯合治療 (Combination therapy) ,以克服癌症治療所產生的EGFR小分子藥物抗藥性。

水稻根表鐵膜對植體營養元素吸收的影響

鐵是植物生長的必要營養元素之一,土壤中的鐵含量雖然不低,但受限於含鐵礦物的溶解度使得鐵的有效性低,植物對鐵的吸收因此受限,進而影響人類的鐵攝取量並造成相關的健康問題。欲提高植物對鐵的利用效率,必須先了解植物對其吸收之相關機制,主要關鍵之一為植物根如何改變根圈環境以控制鐵吸收的有效性。 本研究以水稻為對象,探討水稻不同根部泌氧能力,對水稻根部鐵膜組成、鐵吸收效率,及其對其他營養元素吸收的影響。我們藉由遺傳篩選方法,選殖出較不易生成鐵膜之突變株(#878),透過比較野生型與突變株 (#878)水稻生理性狀之差異,發現通氣組織的生成為控制根系泌氧的影響因子;此泌氧能力會使根系周圍的鐵氧化,並於根表形成一層含有鐵氧化物的沉澱 (即鐵膜);而鐵膜的生成會影響水稻營養元素的吸收,其中鐵膜對陽離子型態的營養元素有較好吸持效果。