全國中小學科展

2022年

以隨機噪音生成技術為基礎的驗證碼對抗式攻擊防禦機制

網路上常常會使用驗證碼(CAPTCHA)防止自動化程序取得網站資源,而一般而言,若驗證碼是可以輕易取得,十分容易被深度學習網路破解。然而,對抗式攻擊(adversarial attack)可以騙過許多深度學習網路。因此,本研究目的為建立能夠破解對抗式攻擊的深度學習網路。主要包含三個部分:建立Captcha breaker、使用對抗式攻擊影響breaker、防禦對抗式攻擊。Captcha breaker的部份使用模擬的目標驗證碼作為訓練資料,以解決訓練資料不足以及人工標籤的問題;而破解adversarial attack會使用adversarial training以及random noising的技術進行。

HOPE WASTE (House Processor Waste) with IoT (Internet of Things) as a Laundry Liquid Waste Treatment Household Environment

Washing is one of the things that must be done by every household. Rural and urban communities have to wash clothes every day, to get clean clothes so they can be reused. But it turns out that with many households doing this activity, it will cause side effects that are not good. The impact will worsen the quality of the surrounding water because this activity is not equipped with a waste treatment process, but instead is dumped directly into the nearest ditch or river. As a result, this waste causes water pollution. The chemical compositions contained in detergents are grouped into 3, namely surface active substances ranging from 20-30%, reinforcing agents are the largest detergent components ranging from 70-80% and other ingredients around 2-8%, where surfactants are the main ingredients. cleaning agent in detergent. If not managed properly, it will cause environmental problems in the future. This research was carried out for 4 months at MAN Sidoarjo and Brawijaya University. The research method used was research and development and experiment methods, and data collection techniques using the observation method. From these problems, we offer a solution by making an internet of things-based device which we call HOPE WASTE (House Processor Waste) with IoT (Internet of Things) as the processing of household laundry liquid waste. HOPE Waste is a house-shaped device that functions to treat Laundry Liquid Waste which combines electrocoagulation methods and utilizes Biosorbents, namely Barringtonia Asiatica and Activated Charcoal which are made into powder. Where the Biosorbent content can bind chemicals in laundry liquid waste so that we can combine them using environmentally friendly IoT-based electrocoagulation methods.

以分散式邊緣運算網路架構實現智慧機器人代理系統之研究

本研究企圖建構一個運用邊緣運算技術(Edge Computing)之人工智能機器人代理人(AI Agent),並將之運用於實體人型格鬥用機器人的研究開發中。 在此以人型格鬥機器人做為場景需求使用設定目標,運用彈性化模組,加上分散式、嵌入式即時網路技術來降低系統設計的複雜度,整合通訊協議與深度學習YOLO影像演算法,進一步運用ZMP運動控制理論,以及多維感測器融合技術(sensor fusion),融合陀螺儀(GYRO)、加速儀(accelerometer)、CMOS Sensors、FSR(Force sensing resistor)作為人形機器人智慧平衡基礎,再藉由圖形識別做為預測辨識以及智慧姿態ZMP控制技術作為攻防策略判斷。 整體系統藉由AI 晶片與嵌入式系統網路作為整合。透過網路即時傳輸環境資訊與指令,使機器人可以知道高層的指令目的資訊。值得一提的是本系統網路設計建構依照仿生哺乳類動物的分層式架構。神經系統將反射以及即時控制交由智慧代理人軟體作為即時演算與控制來達到高性能與彈性發展的需要,未來可用在高等擴充性的人形機器人使用,包括格鬥機器人,人形機器人工地建材搬運、具自平衡醫療外骨骼機器人......等,使人與機器人能並肩工作,提升人與機器人整合互動。

磁攪拌子在黏滯液體下作磁懸浮運動之實用性探究與數值模擬法的發展之研究

本研究對磁攪拌子的懸浮做出一連串的實驗探究與數值模擬法的建模。透過觀察實驗,分析磁攪拌子與驅動磁鐵的互動,提出磁攪拌子跳起與穩定懸浮的原因。建立運動方程式,並使用數值模擬法預測各種變因的影響,也編寫程式語言使模擬的結果以動畫呈現。依照理論的預測,設計實驗驗證數值模擬法的適用性;探討懸浮的動能,發現耦合性質。 在應用方面,懸浮運動是攪拌與懸浮的結合,應可為黏度差異大之化學反應提供穩定反應的攪拌系統。本研究為增進「懸浮式攪拌」的實用性,以數值模擬法測試多極驅動系統的可行性,並成功達成;探討長度對攪拌效率的影響,提供在弱驅動系統中達成懸浮的辦法。為了在應用層面上有更好的發展,透過理論模型提出控制懸浮高度的方法,而實驗結果指出此方法的可行性。為尚不明確有何應用的「磁攪拌子懸浮運動」提供明確的發展方向。

閃電發言人!?—探討以雷達回波了解閃電時空分布的可能性

本報告研究台灣地區閃電與雷達回波強度的關係,期望了解雷達回波資訊成為閃電多寡代言人的可能,以及是否存在閃電活躍區及寧靜區。方法為將台灣附近區域分別以不同空間尺度 0.125 度、 0.25 度及 0.5 度、 1 小時的時間視窗將閃電及雷達資料分割。再利用 R 程式將雷達回波圖的不同像素轉化為強度數值,分析不同時間及空間下,第 95 百分位的回波強度和閃電個數對數資料的關係。 我們選取2019 及 2020 年中 8 個閃電個數高的氣象事件進行分析,發現相同時間移動視窗下及固定 空間網格點內的雷達回波強度較小時,閃電個數的對數值偏低 相反的,當雷達回波強度增加,除可能發生較少閃電個數的情況,會出現較多的閃電個數。當我們將各雷達回波強度階層對應到閃電個數對 數值大約的最高 門檻,進行線性迴歸分析,結果呈現三種不同空間尺度的網格得到的判定係數均接近 1 ,斜率稍有不同,但都約為 0.1 ,顯示此關係 可以利用雷達 回波強度進行閃電在空間時間分布的估計。 以上述經驗公式為基準,將各雷達回波 強度階層所對應到的閃電可能個數以 25% 分為低標及高標,繪出閃電寧靜區及活躍區比較,發現台灣西南部及其海域為活躍區,本島為中間區,而寧靜區的分布較不規則,但多在台灣西南、東北海域。

10公斤級聚甲基丙烯酸甲酯—氣態氧混合式火箭引擎混和效率提升之初步探討

本研究首先設計一5公斤級之聚甲基丙烯酸甲酯—氣態氧混合式火箭引擎,搭載軸向注入器(axial injector)進行水平推力測試,控制氧化劑流量,改變燃燒時間,量測氧化劑截面通量與燃料耗蝕率,探討其燃燒特性、推力、比衝值與各項引擎參數,並評估該引擎作為混合式火箭推進系統之可行性。引擎成功研製後,本研究設計兩種渦漩注入器(swirling injector),幾何渦漩係數(SNg)分別為3、5,將推力目標提升至10公斤,並進行地面推力測試,探討幾何渦漩係數改變對於混合式火箭混和效率與引擎表現之影響。經實驗後證實渦漩注入器能有效提高引擎推力,且引擎推力及燃料耗蝕率會隨幾何渦漩係數提高而上升。未來希望能以本引擎為基礎,將推進系統放大後,將其裝載於小型火箭之上,進行探空及技術驗證之任務。

國、高中階段對於漢字辨識歷程之認知與發展

本實驗藉由操控目標字鄰群大小及是否最高頻兩項變因,研究國、高中生在是否具有「聲旁規則性」與「鄰群發音一致性」的情況下,兩群漢字的辨識歷程,由實驗可知: 一、 國、高中生對於具有「聲旁規則性」及「鄰群發音一致性」,與不具有「聲旁規則性」及「鄰群發音一致性」兩種情況下的漢字辨識歷程中,大鄰群目標字的辨識時間較小鄰群目標字長,即「大鄰群」因素在其漢字辨識歷程中產生了「抑制作用」。 二、 本實驗中,「非最高頻」鄰群目標字的辨識時間較「最高頻」鄰群目標字長。即「最高頻」因素在國、高中階段的漢字辨識歷程中未產生「抑制作用」。 三、 國、高中階段受試者雖皆呈現出「大鄰群」的「抑制作用」且未顯示「最高頻」因素的「抑制作用」,但兩者相較之下,可由Naming之實驗發現,高中生的漢字辨識歷程已更趨近於成人。

程式語言學習系統

『程式解題系統』是提供不同難易的題目給學習程式設計者使用的系統,主要透過測試資料來驗證程式碼的正確性和效能姓。然而,這類系統大多為私人用。台灣著名的程式解題系統有台中女中程式解題系統及高中生解題系統(Zero Judge)等,題目雖然繁多卻分類雜亂,不能讓教師客製化題目給學生,只能從眾多題目中,零散的挑出適合學生的題目,給學生練習。基於以上理由,此研究目的是做出不同於一般程式解題系統的功能,希望能讓教師彈性增刪題目。使用Python為基礎語言,後端採用Django框架,已經架構出系統的原型,並上架至Heroku(zeaf.herokuapp.com)。希望循序漸進地讓學習者有成就感,也讓教師能監督每一個學生學習狀況。

探討 Kaempferol 3-O-β-d-xylopyranosyl-(1→2)-α-l-rhamnopyranosyl-7-O-α-l-rhamnopyranoside 對人類小細胞肺癌之功效

肺癌為全球最常被診斷的癌症之一,主要分為非小細胞肺癌與小細胞肺癌,其中小細胞肺癌是最具侵略性、致死性且預後最差的肺癌。目前針對小細胞肺癌仍未有有效的療法。 本研究探討花生外皮萃取出之山奈酚醣苷衍生物 kaempferol 3-O-β-d-xylopyranosyl-(1→2)-α-l-rhamnopyranosyl-7-O-α-l-rhamnopyranoside 對小細胞肺癌的抗癌功效。我們發現細胞株H1688經藥物處理後細胞存活率明顯降低,以流式細胞儀細胞週期分析,隨藥物劑量增加時 sub G1 期細胞數明顯上升;以 Annexin V 觀察發現藥物劑量增加時細胞逐漸走向晚期凋亡,此外,隨劑量增加 c-PARP、caspase-3、-3和 -9 的蛋白表達都有增進,同時也造成粒線體膜電位下降與 cytochrome c 釋放,另外我們透過西方墨點法分析發現隨著藥物劑量的增加,p53蛋白的表現量下降且有磷酸化的現象,並且在經過咖啡因的處理後藥物對細胞株的毒殺作用更加明顯,由實驗結果可知kaempferol 3-O-β-d-xylopyranosyl-(1→2)-α-l-rhamnopyranosyl-7-O-α-l-rhamnopyranoside能夠良好的誘導H1688細胞凋亡,有潛力成為治療小細胞肺癌的藥物。

休息是為了走更遠—阿拉伯芥之耐熱記憶

阿拉伯芥的長期後天耐熱性(LAT)有如人類的「學習」,如何延長其「記憶」為本研究探討的主要目標。首先以改變熱處理間期之光週期來確立 hsp101、hsa32突變株在光照期變短下,LAT 處理後的存活率有提高之趨勢,而西方墨點法也發現 HSP101 之表現量與存活率有相同的趨勢,LAT 耐熱記憶的延續與否和 HSP101 的量息息相關。低溫降低代謝與光照期變短在存活率、西方墨點法的實驗結果相似,這顯示光照期變短可能也是透過代謝減緩,進而減少 HSP101的降解,使突變株的存活率提高。最後,花椰菜HV-427、HV-178的光週期實驗中,在進行LAT處理後,低光照下的受傷率有降低的趨勢,顯示降低光照能夠提升其耐熱性。我們期望此結果未來可應用在農業生物科技,透過更具經濟價值的方式來降低代謝進而延續LAT耐熱記憶,提升其對抗熱逆境的能力。