全國中小學科展

2023年

Human-computer Interaction-based Millimeter-wave Radar Gesture Recognition

本研究提出了一個毫米波雷達即時動態手勢辨識技術,透過幾個簡單的手勢取代鍵盤和滑鼠來操作應用程序,從而提供更生活化和直覺化的人機介面。我們透過手勢屬性分析、手勢訓練資料格式選擇評估、學習模型效能評估和系統實測性能分析,以提高手勢控制人機界面的實用性。我們的學習模型採用一大小為415 KB的1DCNN+LSTM混合模型支持四個動態手勢,並在德州儀器的FMCW雷達評估板上以30 FPS的採樣速度進行手勢識別。我們在7個用戶(包括5個右撇子和2個左撇子)的多媒體撥放實際測試中達到94.5%的操控準確率。此外,我們的方案在實驗室環境之外的複雜空間中操控應用程序,也不會有明顯的辨識錯誤的情況發生。

以機器學習增強無人機飛行準確度

無人機在進行定位時,多半是依靠內建GPS晶片與內建慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)進行定位,然而高精度的IMU及GPS晶片受限於高成本無法在一般無人機上運行;此外,各種定位系統均有其適用範圍,若無人機運行於定位系統之適用環境外,其定位精確度會下降,進而導致無人機飛行時會與預期路線產生誤差。 在本研究中,我利用Webots模擬軟體進行無人機模擬,藉由無人機鏡頭所拍攝的連續兩幀圖片差異,產生差異與角度及距離間的關係資料集,並利用此資料集來訓練深度神經網路,將產生模型用以模型迴歸出連續圖片間的旋轉角度偏移量,以此偏移量輔助無人機進行飛行校正。 經過多次實驗與修改,我比較了幾種不同的資料處理與分類方法,找出當中最佳結果的機器學習模型後,將此模型套入模擬環境中輔助無人機飛行,使無人機飛行於複雜環境時,成功提升飛行準確度。

大紅斑與周邊擾動的糾葛

在本實驗中,我們亟欲了解木星大紅斑其周圍不穩定之形成機制,意即探討大紅斑渦旋本身與其周邊風切帶之互動情形。第一、我們討論了風切帶之形成:有別於前人研究,我們使用全球準地轉淺水模式,在準地轉平衡的狀態下,渦漩會逐漸合併並緯向延伸,最終得出行星風系條帶狀僅為低頻波所產生之效應,且自轉越快帶狀越明顯;第二、透過克希霍夫渦旋理論,大紅斑始終能保持橫向的橢圓形結構且長軸不會旋轉係因為風切帶之加速效應;第三、我們使用淺水模式進行模擬實驗,發現大紅斑之非對稱西側擾動形成原因有二:一為大紅斑對風切帶之加速,以及木星低緯度風速較快加上風切帶之間具有渦度梯度形成之正壓不穩定效果。二來緯度越低則行星渦度越低,慣性不穩定易形成,即力學能差異越大不穩定越易形成,而此部份我們也以水工實驗展示。

上皮細胞黏附因子(EpCAM)對腫瘤增生影響之機制探討

上皮細胞黏附因子 (EpCAM) 參與了細胞的黏附、信息傳遞、增殖及分化等功能,並在惡性腫瘤組織中大量表達。另外抗EpCAM中和性抗體可以阻斷EpCAM訊息傳遞,進而引起癌細胞PD-L1的表現量降低並促進T細胞的毒殺活性。為了觀察EpCAM是否會對癌細胞的增生、轉移以及侵入能力造成影響,我們將細胞分為野生型 (wild type) 和EpCAM基因剔除細胞株 (EpCAM knockout) 進行實驗。首先,我們以Western-blotting和qRT-PCR確認EpCAM基因剔除組的EpCAM基因有確實被剔除,再進一步利用細胞存活率及細胞群落實驗證實EpCAM會促進癌細胞的增生能力,並分別藉由EGFR的抑制劑Afatinib與HGFR的抑制劑Crizotinib對於癌細胞存活率的實驗證實EpCAM 對於EGFR與HGFR的訊息傳遞扮演重要角色。接著分析EpCAM對癌細胞轉移及侵入能力的影響,γ-secretase和ADAM17皆為裁剪EpCAM進行訊息傳遞的重要酵素,實驗中的癌細胞分別以γ-secretase和ADAM17的抑制劑DAPT和TAPI-1處理,證實EpCAM的訊息傳遞與癌細胞轉移與侵入能力有關。接著我們以EpCAM中和性抗體處理癌細胞後,證實EpCAM中和性抗體確實會促使癌細胞凋亡。最後我們利用Western blotting分析EpCAM對於不同激酶磷酸化的蛋白質表現量之影響,找出EpCAM下游訊息傳遞的完整路徑,期望能找到治療癌症的關鍵。

Utilization of Escherichia coli in Contiminated Water in the Citarum River as a Dual Chamber Baed On Microbial Fuel Cell (MFC) Substrat

Citarum River is the longest and largest river in West Java. The upstream of the Citarum River starts from Mount Wayang, Bandung Regency and ends at the mouth of the Java Sea which is located in Muara Gembong, Bekasi Regency. The Citarum River plays an important role as raw water for PDAM drinking water, supplies electricity in Java-Bali and provides water for rice field irrigation in West Java. Citarum watershed is dominated by the manufacturing industry sector such as chemicals, textiles, leather, paper, pharmaceuticals, metals, food and beverage products, and others. Based on data from the World Bank, every day, the Citarum River is polluted by approximately 20,000 tons of waste and 340,000 tons of waste water with the majority of the waste contributors coming from 2,000 textile industries. By looking at these events, there is no doubt that the sustainability of the ecosystem and the environment in the Citarum River is damaged and polluted. (Zahra Fani Robyanti; 2020). The West Java Regional Environmental Management Agency stated that the content of E. coli bacteria in the Citarum River had increased. The bacteria that cause diarrhea come from industrial and household waste. In addition to E. coli bacteria, other pollutants in the Citarum River that have increased are biological oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD) and Suspended Solids. One of the efforts that can be done regarding E. coli bacteria that pollute the Citarum river is to make it as a substrate for Microbial Fuel Cell (MFC). Bacteria present in organic media convert organic matter into electrical energy. The nature of bacteria that can degrade organic media (enrichment media) in MFC produces electron and proton ions. It is these ions that produce an electric potential difference so that energy can be generated. Generally in conventional systems, MFC consists of two chambers consisting of anode and cathode chambers. The two spaces are separated by a membrane where proton exchange occurs. This system has not fully worked with bacteria because only the anode side contains bacteria, while on the cathode side it still works using chemical compounds such as Polyaluminum Chloride (PAC). However, recently MFC has been developed using bacteria at the cathode, or better known as biocathode. Bacteria in the cathode space have the same function as electron mediators that were previously carried out by chemical compounds. In many studies on MFCs, acetate is commonly used as a substrate for bacteria to generate electricity. These chemical compounds are easier for bacteria to process than wastewater. Acetate is a simple chemical compound that serves as a carbon source for bacteria. Another advantage of acetate is that this compound does not cause other reactions to bacteria such as fermentation and methanogenesis at room temperature. Based on this thought, the author will design a study entitled Utilization of Escherichia coli Bacteria in Contaminated Water in the Citarum River as a Dual Chamber Based Microbial Fuel Cell (MFC) Substrate.

磁性顆粒在變化磁場中的反向運動及運輸

本研究探討磁性顆粒在變化磁場中的運動。燒杯內置入水和氧化鐵粉,構成磁性膠體系統,將燒杯放在磁攪拌器檯面上運轉,發現奇特的水流方向,有時順時針方向運轉,有時則逆時針。此現象是否與氧化鐵粉分布在水面或底部有關?底部的氧化鐵粉出現特別的反向運動,原因為何?深入研究磁性顆粒的運動,分析磁場變化、表面摩擦力對其影響,以及顆粒反向運動時,推動物體的力學分析,並自製磁鐵轉盤分析磁場分布對氧化鐵粉顆粒的影響。

可撓式高分子光電材料的研製與應用

當軟性穿戴裝置成為趨勢,可撓式光電材料極需被開發。聚矽氧烷(PDMS)是常見的高分子軟材料,其合成簡單,也是目前廣泛研發應用於功能性透明薄膜的材料,但其本質不具導電性。文獻查詢得知利用銀膠與PDMS之混合物及矽基板,配合旋轉塗佈可開發出銀–聚矽氧烷新材料,並可開發出I-V線性、非線性之電學及感光元件,然而發現其成品再現性較低,且使用硬性矽基板,大大限制了可撓性光電材料的應用性。本研究著重軟性材料作為基板的製程研發,並比較可撓式元件產品的電學性質,使用的高分子基板包括各種市售薄膜。其中當Ag-PDMS質量比為1.4:1.0,以軟性PET膜片可呈現最佳結果,可呈現I-V線性電學元件的材料特性,其電學特性與文獻使用之矽基板一樣好。使用軟性PET膜片(1.5 cm*1.0 cm)為基板製程條件中(Ag-PDMS/PET),可撓式的Ag-PDMS/PET的電學特性不會受到旋轉塗佈轉速影響,而是受到施加電壓的影響。重複文獻的硬性矽基板條件(Ag-PDMS/Si),施加電壓在40V之前,電阻值為才能使硬性Ag-PDMS/Si成為I-V非線性之電學元件,但是本研究開發的軟性Ag-PDMS/PET要表現出I-V非線性電性的施加電壓需求,只要5V就輕易達成,成為極佳的節能電子元件。文獻中的硬性Ag-PDMS/Si具有光電特性,本研究之軟性Ag-PDMS/PET的光電特性的研究仍在進行,期能找到最佳條件。本研究亦正進行以鎳取代銀,以降低成本,期能未來朝穿戴式醫療裝置的提供製程簡單的可撓式高功能的節能材料。

醃漬物中的乳酸菌對胃細胞的影響分析與探討作為食用益生菌之可能

研究發現食用醃漬食品能夠讓腸道菌相平衡、提高免疫力、降低血脂血壓等。科學家們從這些食物中分離出乳桿菌(Lactobacillus)、鏈球菌(Streptococcus)和明串球菌(Leuconostoc)等。本研究希望從醃漬食品中分離出能夠維持腸道健康的益生菌。首先,我們從台北的傳統市場收集醃漬食品,利用選擇培養基分離細菌。通過PCR確認為乳桿菌屬後,測量他們的胞外多醣產量。我們發現菌株1-1、 3-2、 3-4、 3-6-2、和 3-8能夠在含有低酸和膽鹽的環境生存,並測試他們對人類胃細胞的毒性。在MOI=10的情況下,所有菌株都能維持細胞80%的生存率。但是,菌株1-1、 3-2、 3-4、 3-6-2、和 3-8的細胞貼附能力非常弱。除此之外,我們發現菌株PV15、 1-1、 3-2、 3-4、 3-6-1、 3-6-2、和 3-8的上清液能小幅度地抑制大腸桿菌生長能力。未來,我們希望能進行腸道細胞的實驗(CACO-2),並利用動物來檢測菌株維持腸道健康的能力。

利用qRT-PCR探討塑膠微粒對中華擬同型蚤生長和生殖機制的影響

隨著科技的進步,塑膠產品逐漸在全球遍布,甚至造成許多的環境汙染,其中看似消失的塑膠,其實已被分解為非肉眼可見的塑膠微粒,並且正在影響整個生態,並且在最底層的生物體內累積,透過生物放大作用不停的向生物鏈頂層增加。 探討塑膠微粒與中華擬同型蚤生長和生殖機制的影響。延伸對生殖機制、內分泌系統的影響,產生冬卵的特性,以及與體長、生長抑制、延後抱卵的關係。期望可以透過研究成果類推至生態系中的其他生物,例如魚類、鳥類和人類,進而發展成生物鏈之累積和影響。

利用增強學習之Q-Learning,解決數字華容道的比較性發展研究

因為我們一開始對電腦程式語言有濃厚的興趣,所以去學習了python程式語言,後來發現到世界三大益智的華容道遊戲,似乎可以加以運用,又從文獻中發現了人工智慧之重要性和增強學習的各類法則。剛好於國中時期寫出了讓電腦產生並解決3*3數字華容道之程式。但發現4*4的遊戲竟有20兆種組合,該無法用3*3之程式思維。後來用了增強學習的Q-Learning技術,不僅完成任務,而且還可以發展出人與電腦的比賽,造成轟動、受到小朋友的喜愛~最後我們還希望自己能設計出不同的華容道加以測試,並研究深度增強學習(DRL)的原理與應用,來解決更高階的遊戲,達到增進人工智慧學習的發展。