全國中小學科展

2022年

自動X光檢測重建2.5D圖形用於非破壞性檢測:印刷電路板之應用

為了解決自動光學檢測的非穿透性檢測物體方式,使用自動X光檢測能解決此問題,因此,本研究嘗試開發自動X光檢測技術,並藉由常見的印刷電路板作為應用。作為結果,本研究能進行X光模擬理想化印刷電路板,搭配實體X光取像,藉由平移堆疊法重建出2.5D印刷電路板影像,並藉由霍夫法圓形辨識圈選錫球,輸入卷積神經網路,辨識錫球焊點之優劣。

助長!抑制?讓眼動與腦科學數據說「真」話

隨著資訊科技日新月異,每位中學生幾乎都有智慧型手機等3C產品。下課時,教室「人手一機」景象已屢見不鮮。對此,學生是否適合在下課時間使用智慧型手機等3C產品?各方觀點尚未有定論。因此,本研究使用「眼動儀」與「腦波儀」等腦神經科學儀器,邀請48位15歲中學生參與本實驗,探究他們從事不同類型「下課活動或行為」歷程,其「專注度」與「放鬆度」差異情形。本研究的主要結果是:1.中學生無論從事哪一種「下課活動或行為」,對於他們後續進行「問題解決」時「專注度」的影響,並沒有顯著性的差異。此結果「反駁」當前多數師長主張「把玩3C產品影響學習」論述。2.中學生從事「回交友訊息」活動時,其「專注度」呈現「先上升後下降」的趨勢。因此,本研究建議中學生於下課時段,可以在前3分鐘先「閱讀或複習重點」,然後「閉目養神」,如此,可能在後續學習能獲得較佳的學習效果。但是,本研究仍建議中學生在下課時盡量避免從事「玩線上遊戲」活動,以避免後續學習「專注度」下降。

壓電-摩擦感測器配合CNN進行步態分析及身分識別

我們設計了一款透過壓電片與摩擦片收集資料的智慧鞋,壓電片嵌入在鞋底,摩擦片安裝在前腳掌,兩者並聯。當人行走時,感測器會被擠壓變形,藉由DAQ(數據採集)收集感測器的電壓輸出,可顯示出正常步行、快走、慢跑和漫步等活動的訊息,利用時變電壓形式的輸出數據,與能夠識別時域信號的CNN深度學習(卷積神經網絡)進行不同類型步態辨識。 實驗結果顯示此方法可以辨檢測這四種步態,其辨識率高達95%。訓練好的CNN可同時辨識個人身份與步態。結果顯示,識別快走時辨識率極高,識別正常步行和漫步時辨識率為90%,識別慢跑時辨識率僅達49%。因此,我們未來預計將提高同時辨識不同受試者與不同步態之辨識率,並透過壓電能量擷取器為藍牙模組供電。

透過相轉移催化劑合成Chromeno[4,3-b]pyrrolidine之衍生物

本研究之反應產物Chromeno[4,3-b]pyrrolidine之衍生物含有吡咯烷及二氫苯并哌喃的骨架,而此二者存在於許多藥物及天然物中,例如:尼古丁及蛋白質中的脯胺酸皆為吡咯烷的衍生物,含有二氫苯并哌喃骨架的藥物則通常被應用於消炎藥物中。本研究主要反應是以對甲基苯醌衍生物與亞胺葉立德前驅物在相轉移催化劑及無機鹼的催化下進行(3+2)環加成反應與oxa-1,6-加成反應,合成出Chromeno[4,3-b]pyrrolidine之衍生物。利用改變不同的相轉移催化劑、溶劑和無機鹼的種類及各反應物的當量數,篩選出進行本反應的最佳反應條件。在此優化條件下,進一步使用不同的掌性相轉移催化劑,以探討本反應之光學活性。並利用無機鹼的篩選,以排除背景反應發生的可能性。希望最後能於起始物上替換不同種類的取代基,以探討本反應之反應活性,並增加其未來應用的多樣性。

等差指標的探討

在國中及高一的數學課程當中,我們都學過「等差數列」這個單元,而本文的研究著重於在某些限制條件下等差數列的產生時機。在本篇報告中,我們從給定整數範圍(如:從0到n)的條件下出發,去探索在給定的範圍當中至少要加進去多少正整數才能確保其中存在三個數字成等差,進而定義等差指標等概念。我們研究了各個數字n的等差指標,並找出其關係,進而延伸出相關的不等式,然後進行推論。最後,我們藉由發現了一些規律得到了一些可增進最小等差指標的估計,我們大略估計了其上下界,並嘗試往探討不存在三正整數成等差數列的自然數集合密度去做發展,用集合密度的角度去切入討論,以幫助我們的估計和定理推導。

Combinatorial Properties of Non-isomorphic Caterpillars

一個連通圖其結構中若沒有包含任何的圈,則將此圖稱為樹狀圖(tree)。若樹狀圖 的頂點 滿足 ,則 即為 的『葉子點(leaf)』。將一個樹狀圖中以一筆不間斷經過最多頂點的路徑,稱為『主幹』,若此樹狀圖滿足所有的leaf皆與主幹上的點相連,則特別將此樹狀圖稱為『毛毛蟲圖(caterpillar)』。本文的研究是對於有 個頂點, 個leaf的毛毛蟲圖,在不同構的情況下,探討各類毛毛蟲圖的結構變化、對偶關係,在數量上建立遞迴關係、探討組合意義以及相關的應用。

製備自組裝單分子層修飾電極檢測水中銅離子之研究

本研究開發一種檢測水質之創新技術,利用電化學阻抗分析法檢測水樣中微量的銅離子。本實驗研究確知:當溫度越高,溶液的電阻值越小;離子濃度愈低,測得的溶液電阻值越大,且皆具有檢量關係,濃度量測極限可至10-6 M。此外,以鏈狀硫醇連結組胺酸之改質電極對銅離子皆相對具較佳辨識能力,又以 11-MUA改質電極靈敏度與量測極限皆最佳,最低濃度可量測至數量級10-8 M (約0.0019 ppm),遠低於現行銅離子流放標準。以效能最佳之11-MUA改質電極以環境水樣外加法量測不同銅離子濃度下之Rct值,發現兩者亦具有線性檢量關係,因此此檢測模組適用於環境水樣之檢測。 目前已確認此檢測模組適用於環境水樣中銅離子濃度之定量,未來期望拓展此檢測法於不同重金屬離子,以對不同離子具選擇性之單分子層材料修飾於電極表面,使此檢測模組能廣泛應用於水樣中常見重金屬離子之濃度檢測。

風場下圓柱氣孔導管抽吸對風阻係數影響

本研究藉由孔洞抽氣控制氣流邊界層,影響尾部渦流以達到減阻效果。研究主要探討的變因有:孔洞大小、抽氣速率,進而發想抽吸設計是否可運用在旋轉圓柱上。實驗與之前不同的是為抽氣孔洞加裝導管,以及創新的實驗旋轉裝置。實驗結果顯示,透過延緩邊界層分離可以有效控制阻力,在雷諾數15000時,可減阻。抽氣速率達22m/s,減阻最大值達23%。此實驗想法可有效達到減阻效果,並且可以使旋轉葉片減少旋轉阻力,在電壓6V時,轉速提升11%。未來期望能應用在風力發電機葉片上,減少旋轉風阻,提升發電效率。

濁水不犯清水-探究涇渭分明成因

涇渭分明是世界上少見的河流現象,濁水與清水可以各自分流互不混合。此次研究透過實驗,改變兩水體流量差、匯聚角度、水體泥沙濃度、水中鹽濃度探討濁水及清水混和程度,並藉由水體顏色的透光程度數據化實驗結果,並透過程式與圖表進行推演,得出影響混和程度的變因及其相關程度。 根據實驗數據,角度越小、清水大於濁水的流量越大、濃度在一定範圍下,河流分明的現象將越明顯,然而礙於實驗尺度不如自然界,實驗結果存在臨界值。而此結論與自然界狀況做對照亦有類似結論。 整體來說,分流現象是多種自然因素下的結果,單一因素的討論難以完整表達全體效果,但可以看出其趨勢,以及對於涇渭分明現象的影響程度。

利用鐵鉑奈米粒子做為新穎藥物來治療對於標靶藥物產生抗藥性之肺癌細胞及其死亡機制

癌症已嚴然成為全球人類最難克服的一種疾病,而其中治療後對於藥物產生抗藥性的難題,依然是一個很難突破的瓶頸。因此於本研究中,我們將利用鐵鉑 (FePt)奈米粒子來當成一新穎的治療方式,並觀察在具有對標靶藥物Geftinib(GEF)產生抗藥性的肺癌細胞中,是否可以產生毒殺的效果。我們從感應耦合電漿光學發射光譜儀(ICP-OES)的結果中發現,具有標靶抗藥性的肺癌細胞GR+對比不具抗性的HCC827細胞,會有著較高的奈米粒子吞噬量,並從細胞群落形成試驗(Colony formation assay)中觀察到,GR+細胞在接受奈米粒子後開始走向死亡,並伴隨活性氧化物質的產生。進而從西方墨點法的實驗結果中發現,GR+細胞的死亡機制為鐵凋亡(Ferroptosis),綜觀以上結果,我們發現鐵鉑奈米粒子確實具有成為克服標靶藥物抗性藥物的潛力