全國中小學科展

2022年

單低谷型磁暴事件先兆之分析

磁暴是地球磁場的劇烈擾動現象。由於強烈磁暴可能對人造衛星、地面電力系統的穩定性帶來損害,因此了解磁暴事件的機制十分重要。本研究利用 OMNI 資料庫中的地磁指數與行星際磁場南北向分量、太陽風動壓、太陽風風速、質子密度等物理量觀測資料,分析太陽週期 22 至 24 期間的單低谷型磁暴事件,此類型事件佔總分析期間磁暴事件的近五成。首先磁暴事件數量比例大致隨強度增強而遞減;不過安靜期也有較強烈的事件發生。接著分析各物理量與事件強度的相關性,其中行星際磁場南向分量、太陽風動壓相關係數分別達 0.80 和 0.64,推論可做為磁暴先兆的依據。因此分別建立太陽週期 22、23 及太陽週期 24 之行星際磁場南向分量、太陽風動壓對事件強度的經驗關係式,並據此計算行星際磁場南向分量對應的事件強度門檻值。目前逐步比對太陽週期 25 的磁暴事件,推論以太陽週期 24 的經驗式得出的門檻值,可能較適用目前太陽週期 25發生的磁暴事件。

提升戶外物件辨識模型表現之研究

近年來由於電腦視覺的蓬勃發展,物件辨識模型被廣泛運用在生活中,例如自動駕駛、醫療影像、農作物檢測等等。對於要在戶外運作的模型,由於檢測物體的背景會隨著時間、地點、季節、光照強弱等因素不斷改變,通常需要大量且多元的資料才能避免模型過擬和,然而取得多元的資料需要花費大量的人力與時間在收集以及為這些新資料標籤。 本研究利用影像風格轉換模型作為資料增強的方法,將於晴天拍攝的街景圖轉成夜晚及雨天,使原本只有晴天的資料集有更多元的資料。結果證實使用風格轉換模型生成的影像訓練的物件辨識模型的準確率在某些情況下有顯著的提升。此方法的優點在於能夠快速產生多樣風格的資料,由於是對影像的風格做轉換,影像的內容沒有改變,因此能夠沿用原有的標籤,同時節省了蒐集及為新影像標籤的人力及時間。

How do antihypertensive agents decrease the high mortality rate of sepsis and septic shock? (探討抗高血壓藥物如何降低敗血症的致死率)

過去已知敗血症患者使用β受體阻滯劑能有效改善心律、酸鹼參數、降低死亡率,在嚴重敗血症和敗血性休克的急性期,持續使用β受體阻滯劑可降低90天內的死亡率。然而,其中的分子機轉仍不明。我們先前利用健保資料庫進行大數據分析並以動物實驗驗證,發現β受體阻滯劑中的atenolol能顯著減少敗血症的致死率。此研究中,我們以LPS (脂多糖) 作為敗血症誘導劑,並利用西方墨點法及逆轉錄聚合酶鏈式反應等生物技術,來探討其中可能的保護機轉,結果發現atenolol可減緩肺部上皮細胞的EMT (上皮間質轉換)及先天免疫巨噬細胞的過度活化。因此,atenolol似乎能減緩LPS造成肺部的傷害,未來有望應用至臨床,以克服敗血症所造成的高死亡率。

Art Recovery through PConv (Partial Convolutions) and GLCIC (Globally and Locally Consistent Image Completion)

在生成性模型(Generative Models)中的一個主要應用就是“影像修復” (Image Inpainting) 也稱為“影像完成”(Image completion)。 影像修復經常被應用於許多影像處理,包含在生活照片中移除背景不必要的物件再回填移除後缺損的影像。 但是,或許之前的研究較多著墨於技術而非美學,至目前為止,很少有影像修復的研究著重於藝術作品的重建應用。 所以,本研究計畫提出三個新的模型來針對藝術作品做更優化的影像修復,以達到較一般處理日常照片所使用的如Places2 和ImageNet等影像修復技術在視覺上更為自然逼真的處理: 第一種模型是PConv (Partial Convolutions),它利用部分旋積(partial convolution) 來避免一般由於遮蔽區域中畫素起始值設定而常見的影像模糊問題。 第二種模型是GLCIC (Globally and Locally Consistent Image Completion),是一種以GAN (Generative Adversarial Network) 為基礎,進一步在全域鑑別器 (global discriminator) 之上,再建構一個區域性鑑別器(local discriminator),以確保在整體畫面與細部畫面的合理與一致性的方法。 最後一個模型是一個在本研究中所提出的全新、整合性的模型–PConv-GAN。 在這個創新的模型中,我們將GLCIC模型中常用於旋積過程中”補零”(zero padding) 的手法,以PConv模型中部分旋積的方式來取代。最後我們會利用一系列的印象派畫作為例,以L1 loss 和PSNR (peak signal-to-noise ratio) 兩種方法來評估這三個模型。

探討單位電阻排列有理數值

本研究在探討給定一有理數,如何用最少數量的一歐姆電阻串並聯使得等效電阻值為此有理數。首先我做出f函數的表格,利用程式找出分母分子較小時的值,並且依性質不同塗上各種顏色,觀察其中的規律,證明了一些定理,並找到電路圖與矩形的對應,再來是找到電阻排列一些數列的系統性構造,然後針對有理數分子和分母的特性,分析了費氏數、分母為2、3等等的情況的最小構造法,其中在分析分母為2、3等等的情況時,一開始使用了變換的概念證明,但變換過多次時會造成證明的繁複,因此後續提出了以幾何模型分割區域的概念證明,有效地提高到分母為4、5的情況,並且將證明過程擴充至所有正整數的情況,找到了f函數遞迴式的充分條件,最後計算連分數構造法的部分平均時,猜測出連分數構造法與正整數因數個數的關係。

A.N.T.s: Algorithm for Navigating Traffic System in Automated Warehouses

According to CNN Indonesia 2020, the demand for e-Commerce in Indonesia has nearly doubled during this pandemic. This surge in demand calls for a time-efficient method for warehouse order-picking. One approach to achieve that goal is by incorporating automation in their warehouse systems. Globally, the market of warehouse robotics is expected to reach 12.6 billion USD by 2027 (Data Bridge Market Research, 2020). In this research, the warehouse system studied would utilize AMR (Autonomous Mobile Robots) to lift and deliver movable shelf units to the packing station where workers are at. This research designed a heuristic algorithm called A.N.T.s (Algorithm for Navigating Traffic System) to conduct task assigning and pathfinding for AMR in the automated warehouse. The warehouse layout was drawn as a two-dimensional map in grids. When an order is placed, A.N.T.s would assign the task to a robot that would require the least amount of time to reach the target shelf. A.N.T.s then conducted pathfinding heuristically using Manhattan Distance. A.N.T.s would help the robot to navigate its way to the target shelf unit, lift the shelf and bring it to the designated packing station. A.N.T.s algorithm was tested in various warehouse layouts and with a varying number of AMRs. Comparison against the commonly used Djikstra’s algorithm was also conducted (Shaikh and Dhale, 2013). Results show that the proposed A.N.T.s algorithm could execute 100 orders in a 27x23 layout with five robots 9.96 times faster than Dijkstra with no collisions. The algorithm is also shown to be able to help assign tasks to robots and help them find short paths to navigate their ways to the shelf units and packing stations. A.N.T.s could navigate traffic to avoid deadlocks and collisions in the warehouse with the aid of lanes and directions.

以磁性Fe3O4分離微塑膠的成效與機制探討

微塑膠因為其密度小、表面積大之特性可吸附有害物質,並傳播至各地,而對人體和環境造成危害,故回收微塑膠是科學家研究的重要主題。本實驗發現:在中性50 mL水樣品中回收以砂紙磨製的微塑膠時,加入0.050克的Fe3O4和1~2 mL乙酸乙酯或正己烷後,微塑膠、有機溶劑和Fe3O4可互相吸附,再用磁鐵將三者同時吸出而與水分離,可達到清除微塑膠的效果,不同微塑膠(PP、PET、HDPE和PETG)的清除效果皆可高於89%以上。 而在中性的50 mL水樣品中,回收較大顆粒之微塑膠(顆粒大小介於0.500 mm~2.380 mm)時,加入微塑膠0.5克、水50 mL、0.5克Fe3O4¬和不等量正己烷時,會有不同回收效果,但普遍以不加入正己烷,微塑膠(PP、HDPE、LDPE和PS)回收效果最佳,皆約85%以上。 推測此清除機制為微塑膠可吸附有機溶劑,有機溶劑可吸附Fe3O4,三者混合後即可用磁鐵以磁力將此混合物和水樣分離,達到清除微塑膠的效果。但當為塑膠顆粒較大、重量較大時,則會停留在有機層中,反而難以用磁鐵分開,故以Fe3O4即可達到回收微塑膠的效果。

風驅電「極」- 陣列式無扇葉風力發電機

「無扇葉風力發電」是一種新型的能量擷取研究,透過渦流引起的震動將風能轉換成電能。傳統渦輪式風力發電利用風推動扇葉旋轉發電,受限於風向、成本、噪音及體積等問題無法在內陸得到普遍。先前已有外國公司發表初步的機構設計與發想概念,但目前仍只能針對單一風向進行發電。本研究提出新型機構設計,有效的運用了多方向風源,降低了風能的浪費。為了瞭解渦激振動與各項變因之間的關係,我們設計了多項實驗,藉由影像分析軟體Tracker,得出不同風速下桅杆晃動振幅與頻率之關係,並利用實驗分析採集器LabQuest 2,精確的得出單位時間內的平均流速與電壓變化,獲得流速與電壓頻率特性。 根據實驗結果,隨著風速的增長,電機產生的峰值電壓會有2次方的增長,且桅杆晃動頻率與風速和支點位置並無直接關係。

無毒有「單」~探討單寧酸作為生物農藥的可行性

農藥,除了對害蟲的有效抑制之外,也對環境生態造成一定程度的影響,是否有對農作物及環境更為友善的農藥呢?本篇探討「單寧酸」做為生物農藥的可行性,結果發現偽菜蚜體表蠟粉被破壞,單寧酸接觸後具一定程度立即致死能力,生物農藥測試組(乳化劑+油+3%單寧酸溶液)立即致死率69.5% (10min)。生物農藥測試組和噴水組之農作物質量表現,無達到顯著差異( p>0.05),顯示生物農藥試劑對作物生長影響不大;以分光光度計分析,作物與環境土壤均無殘留,且作物易洗淨。生物農藥試劑對於不同科害蟲,以葉蟎致死率最高,為86.3%,而對蚜蟲及介殼蟲則分別為71.3%與61.6%。野外測試發現生物農藥試劑之驅蟲率,D1已達96.1%,而D2則達98%,D3達100%。吸食試驗顯示,生物農藥測試劑組對蚜蟲致死率約90%,顯示本生物農藥試劑不僅具立即接觸毒殺,也兼具長效吸食毒殺的效果。

Susanito, autonomous robot body temperature meter: support to reduce infections in rows

A variant of the coronavirus (2019-nCoV or COVID-19) was reported in Wuhan, China on December 31, 2019, spreading rapidly around the world. Owing to a plan to reactivate the economy, the Mexican government, requested to implement protective measures to enter establishments with confined spaces: wear a mask, provide alcohol-based hand rub and the measurement of body temperature, allowing problem when not have a fever; however, these measures cause long waiting lines, causing contagion risk. To support this problem, applied and experimental research was used, generating as a result, the creation of a robot that moves autonomously thanks to a line follower sensor. Dispenses alcohol-based hand rub and determines the temperature by means of an infrared sensor, checking that the distance is adequate, with an ultrasonic sensor, using a buzzer that emits a sound of half a second when it performs a normal detection, but, if it is equal to or greater os 38 ° C, emits a sound for 10 seconds asking the person to leave the line and go to a medical service, helping to reduce problems infections in lines