全國中小學科展

2021年

介電潤濕機制探討及應用-水電車

將液滴置於鋪上介電層的電極板,接上電壓時,液滴因表面張力及接觸角產生變化而移動,此現象被稱為介電潤濕,其裝置能讓生醫等產業進行精準的微量藥物配置。為了探討此現象原理及改善裝置,本研究測量液滴位於不同電壓之電極板上方時,液滴接觸角及介電層厚度;透過數值模擬計算系統總能量、視覺化系統的電位空間分布,並計算電容,以能量角度模擬液滴移動模式;對於平面式裝置在長時間移動水珠後,產生水珠移動速率趨緩,甚至朝反方向移動的現象給予解釋;改良文獻中平面式和雙層式的電潤濕裝置,將雙層式上板改為導線。因為形狀酷似電車,因此我們稱其為「水電車」,此裝置保留高電容特性的同時,降低阻力。實驗證實其水珠移動能力優於平面式裝置,除了使液滴更好移動外,相較於封閉的雙層式裝置,開放式系統的特點能讓生醫研究人員更方便置換樣品。

青少年於寡勝賽局真人實驗之特徵研究

本研究聚焦於高中生在寡勝賽局中的真人實驗之特徵表現。研究共計132位參與者,以同時使用即時線上施測之方式進行實驗,研究者於雲端蒐集資料做立即提供勝負結果及歷史回饋。 研究結果如下: 一、 在真人實驗中,記憶長度、遊戲經驗、數學能力、策略改變率,皆未對勝率、浪費率造成顯著影響。 二、 在真人市場中,無法出現週期性、浪費率隨場次降低之現象;在時間序列上有趨中特性。即真人並非單純依照歷史資訊的推斷而進行策略選擇,且無法藉由經驗學習。 三、 在真人實驗中,無法觀察到平均收益隨場次增加而提升或浪費率隨場次增加而降低的現象,說明經驗無法使真人群體學習或成長。 四、 電腦代理人在部分增加記憶長度後,平均收益與原先呈現顯著差異,真人市場則無法達成。即資訊量多寡對真人的策略判斷與勝率沒有影響,真人對歷史資訊的取用並非如電腦選取策略表具有唯一性。 五、 無論在電腦模擬或真人實驗中,浪費率與平均收益皆呈現高度負相關,此與其定義亦有關聯。且浪費率為0%時,平均收益會趨近於50%。斜率接近-0.5。 六、 策略改變率並非以任何函數圖形影響勝率,說明了相信歷史與否不是唯一影響結果的因素。在青少年群體的真人實驗中,未發現歷史資料對勝率有顯著之助益。

全向型風力發電機設計研究

本研究設計十個實驗討論風力發電部件的效率,首先探討垂直型風力發電扇葉(Vertical Axle Wind Turbine, VAWT)結構如何搭配外部全向型導風罩充分利用風能。我們研究全方位來風皆能產生正向力矩的VAWT,並設計出只要有風就可以正轉的VAWT,此外並設計扇葉副翼增強發電效能。並探討如何搭配外部導流板(Guide Vane, GV)裝置加強扇葉轉動以獲致最佳發電效能,我們整合水平和垂直型兩種導風裝置,可以將全向來風(Omni-Directional Wind)皆有效引導至推動VWAT之正向力矩,與用於發電。我們製作的風力發電機體積小效率高能利用各方來風,可將風力發電化整為零達成自主發電的目標,非常適合臺灣都會區風力有限以及建築物密集的環境。

圓例覺醒

平面上,P點為△ABC內部任意一點,(AP) ⃡、(BP) ⃡、(CP) ⃡分別交△BPC、△CPA、△APB這三個三角形的外接圓於A'、B'、C'。若△ABC為銳角三角形,則¯(PA')/¯PA⋅¯(PB')/¯PB⋅¯(PC')/¯PC≥8,等號成立時若且唯若△ABC為正三角形,此外,並以三角形的三內角來表示P點為費馬點、外心、內心、垂心、重心時的確切比值;接下來推廣至n維空間,當P為任意n維n -單體A_1 A_2...A_(n+1)內任意一點,(A_1 P) ⃡、(A_2 P) ⃡、…、(A_(n+1) P) ⃡分別與n維n -單體P-A_2 A_3...A_(n+1)、P-A_1 A_3...A_(n+1)、…、P-A_1 A_2...A_n的外接n維球交於A_1'、A_2'、…、A_(n+1)',滿足∏_(k=1)^(n+1)▒¯(PA_k')/¯(PA_k )≥n^(n+1),等號成立時若且唯若¯(PA_k')/¯(PA_k )=n,k=1,2,...,n+1,其中n≥2。再藉由任意點的結論,可以應用於直接生成或快速解出許多特殊類型的三角函數不等式。此外,從主要的不等式還可以得到∑_(k=1)^(n+1)▒((A_k P)┴⃑)/(A_k A_k')┴⃑ =1,此時P點為n維空間中任意一點,最後,我們把圓改為圓錐曲線,再進行線段比值的探討。

煙燻水製造機運用於作物生長、疫病防治與肥力之研究

本研究目的主要是研發煙燻水製造機,第三代煙燻水製造機,採用稻梗燃燒室與噴霧式煙燻水產生室,製作並實驗說明煙燻水對農作物驅蟲、防疫、種子萌芽與肥力效果。結果顯示,第三代煙燻水製造機,生產之煙薰水品質穩定,且符合環保署空氣排放規定,其生成之煙燻水成分以氣相層析質譜儀檢測結果,共測得28種化合物,主要是醇、內酯、乙醛、酸、酮、生物鹼和酚類等。其中2(5H)-呋喃酮C4H4O2,可刺激小黃瓜種子萌發。酚類化合物C10H9N3O對抑制真菌生長有效,且在煙燻水添加甲殼素與鈣粉,有助於農作物幼苗成長。

探討組蛋白脫乙醯酶HDAC7對於癌細胞DNA損傷修復機制之影響

DNA損傷導致的基因體不穩定是癌症的共同特徵,而細胞依賴DNA損傷反應 (DDR) 來感知和修復受損的DNA,以維持基因體完整。DDR由DNA損傷傳感信號和修復網絡組成, DDR的活化可阻滯細胞週期並啟動DNA修復,是應對DNA損傷的關鍵步驟。其過程受許多因素調控,包括多種轉譯後修飾如乙醯化、脫乙醯化、小泛素化等。HDAC7是組蛋白脫乙醯酶,該家族成員有多個已被證實參與DDR且在多種癌細胞中常過量表現。最近研究發現HDAC7具小泛素蛋白E3連接酶活性,但相關研究甚少,因此欲探討HDAC7在DDR所扮演的角色。 本研究使用西方墨點法、免疫螢光染色、流式細胞儀分析、細胞存活率測試和細胞群落形成能力實驗,發現以RNAi技術將細胞的HDAC7基因沉默後會降低DNA損傷引起的ATR-Chk1及ATM-Chk2訊號強度,使不能有效率活化檢查點,並對DNA損傷藥物較敏感。由以上結果顯示,HDAC7有潛力做為抗癌藥物研發的新目標。

整合姿勢辨識暨空間辨識以二維圖像實現三維空間物件相關性判定之口罩配戴正確性檢測系統

2019年新型冠狀病毒的大流行,佩戴口罩已成為全球防止飛沫傳播病毒成本最低且有效的方法,目前雖已有團隊針對口罩有無正確配戴提出解決方案,但根據收集的資料,目前針對口罩有無正確配戴解決方案通常是使用類神經網路YOLO進行實作,YOLO使用於口罩辨識雖可達到有一定的效果,但對口鼻密合度不佳的細微狀態常有一些誤判的現象,就算民眾有配戴口罩,但若未與臉部、口鼻密合,仍有50%的空氣洩漏機會,無法有效阻隔飛沫傳染,形成防疫破口。 而本研究在這樣的基礎架構下再整合目前最強大的姿勢辨識之一的OpenPose,針對口罩與口鼻密合度不佳的細微狀態進行更深一步地探討,以期達到更好的偵測判斷效果。本研究針對的改善的方向為當神經網路YOLO判定為有配戴正確的資料時,再利用OpenPose以及本研究開發出的鼻心物件演算法,就鼻部密合度做細部偵測,進行誤判修正,最後證實出本算法能篩出56.25%被神經網路YOLO誤判為有戴好口罩的資料,可顯著提升口罩配戴辨識精準度,減少形成防疫破口的機會。

探討中型金蛛(Argiope aetheroides)與長圓金蛛(Argiope aemula)隱帶功能之研究

本次研究主要探討中型及長圓金蛛蛛網隱帶的結構不同,所造成的振動模式差異。蜘蛛網面的結構會直接影響到蛛網結構的振動方式,以及能量散布的情形。為了了解蜘蛛網有無隱帶結構對於獵物衝擊網面的影響,使用釣魚線及蠶絲進行模擬蛛網。實驗結果顯示,不論長圓或是中型金蛛其隱帶的長度與體長成正相關。金蛛隱帶的長度與環境溫度、照度和風速的相關性不高。而在複式顯微鏡下發現金蛛隱帶的構造有疏密之分。仿生金蛛網不論是何種類型隱帶,皆無法減少受模擬風吹吹拂網面的振幅,僅有蠶絲密十字型隱帶能夠有效減少受模擬獵物撞擊網面的振幅。此外,蠶絲仿生網的振動幅度較釣魚線小,穩固性較佳。

塑膠微粒對大型蚤生殖的影響

塑膠微粒常見於自然環境中,若攝入塑粒是否會對生物生存造成威脅?本研究以塑粒及小球藻餵食大型蚤(Daphnia magna),以螢光顯微鏡觀察大型蚤腸道並監測小球藻濃度以推測大型蚤攝食情形,並監測新生水蚤個體數。 研究發現大型蚤在濾食中會攝入塑膠微粒,在含0.08 mg/L塑粒的培養環境下大型蚤攝食量顯著減少。在含0.01mg/L的塑粒環境下大型蚤開始抱卵天數有延長、第一子代個體數會減少,且平均體長亦減少。若子代出生即放回無塑環境,可恢復生長情形。 在含0.01mg/L的塑粒環境下,族群大小有顯著減少且在0.08mg/L濃度下的族群在第七天全部死亡,也就是有塑環境對大型蚤生殖及生長確實造成影響。

群魔亂舞的水精靈──探討滴簇在熱水表面的物理現象

本研究探討滴簇的性質與行為,高溫穩定水溶液表面上會有一層水霧般的霧滴層,像是平貼飄浮在水面上,此水滴群為「滴簇」。本研究拍攝下熱水表面的滴簇,並使用ImageJ、Python分析滴簇粒徑等性質以建構物理模型。 藉雷射光凸顯滴簇,觀察滴簇的形成與消失過程。利用被雷射打亮的滴簇在水面的倒影,測量滴簇距水高度。滴簇由5~15μm厚蒸氣層撐起漂浮在水面上,水溫越高,蒸氣層越厚。華(繞射光像)半徑取決於水滴粒徑,本研究分析陽光經水面反射通過滴簇形成的華,測量滴簇粒徑10~20μm。由以上實驗推測:滴簇是高溫蒸氣層接觸低溫的室溫空氣凝結成,溫差愈大凝結量越多,粒徑、數量隨之上升。滴簇會因對流、氣流擾動集體離開水面,留下一道滴簇少的空隙,此現象為「絲狀剝離」。滴簇剛形成時粒徑小,吸收水氣後變大,因此絲狀剝離帶上少許滴簇皆是粒徑較小的滴簇。