全國中小學科展

2025年

廣義佩爾方程式的一些探討

這是一份將近持續四年的研究,而這一年佩爾質數的出現,讓我們的討論「突飛猛進」。 佩爾方程式是形如𝑥2−𝑚𝑦2=1的方程式,其中𝑘不為完全平方數之正整數。我們定義廣義佩爾方程式是形如𝑥2−𝑚𝑦2=𝑛 的方程式。在過去的研究中,我們主要從𝑥2−𝑘𝑦2=𝑝 (𝑘,𝑝 皆為互質的奇質數) 的正整數解開始研究,接著延伸到 𝑥2−𝑘𝑦2=2𝑚𝑝1𝑛1𝑝2𝑛2⋯𝑝𝑗𝑛𝑗,進而得到了解的唯一分解性質。而本次的研究,延續之前的工作,對佩爾質數展開了討論。利用蜈蚣彘,我們成功地發現了一些佩爾質數,猜測出一些可能的結果並證明;同時我們對佩爾質數的生成結構做了相當程度的了解。作為結束,設法利用分析的方法解決的之前的問題,以及對方程式的不可約解,是否存在較低次方根解,給出了必要條件。

「旋」機妙策—探討颱風與季風互動之螺旋式風場變化

本研究主旨是在探討颱風與季風互動對颱風風場不對稱性變化的影響,分析了2013至2024年9月期間的颱風數據,結果顯示,季風是影響颱風風場形狀的關鍵因素。在東亞特有的季風氣候中,84%的颱風受到季風共伴的影響,我們發現,在季風共伴下,颱風的七級風場會呈現螺旋形,東北季風影響下多呈「6」形,西南季風影響下多呈「9」形,這些形狀可用「等角螺線」來描述,對於季風影響不明顯的颱風,風場形狀則更接近橢圓。我們進一步計算集合重合率以驗證形狀描述的準確性。 此外,本研究將颱風生活史的流型演變分為五類,結果顯示,環境條件相似的颱風,在流型變化上具有相似性。我們還利用颱風氣流場裝置模擬颱風風場,測量風速和風向,深入探討環境風場對颱風不對稱性的影響。

柔性明膠電阻式記憶體元件在彎曲下的效能之研究 Study on the Performance of Flexible Gelatin Based Resistive Random Access Memory Devices Under Bending Conditions

本研究使用柔性PET基板,並將Al2O3沉積於明膠上作為介電層,製作電阻式記憶體-Al/gelatin/ITO-PET元件(AGI柔性元件),期望提升基板的可撓性,同時維持元件的基本運作模式。為檢測元件性能,本研究分別在平面及彎曲狀態下測量其電性。透過施加循環電壓於AGI元件,測繪其電流變化圖,並分析元件不同操作狀態下(平面、固定彎曲、動態彎曲)的電性穩定度。研究結果顯示,AGI柔性元件在每次循環間電流變化小,且在不同半徑的 動態彎曲測試中,電流-電壓(I-V)疊合圖的開關比均呈現穩定。綜上所述,AGI柔性元件在兩種彎曲狀態下能夠展現低切換電壓與穩定的開關性能,加上明膠的生物相容性和優異性能,表現出其在穿戴式記憶裝置的發展潛力。

鈦錳啦!藍「解」「除」橘!──探討MnO2及TiO2對亞甲藍及甲基橙的去除效果

本研究利用合成不同形狀TiO2/MnO2/ZnO,藉由改變接觸面積進而提升染料去除率。在初實驗中將9 種金屬氧化物與甲基橙/亞甲藍/甲基紫反應,發現TiO2-甲基橙與MnO2-亞甲藍之組合有較好的去除能力。在改變反應溫度的實驗中,TiO2-甲基橙之去除率隨著溫度上升而降低,當中以25℃ 海膽形表現最佳,而在MnO2-亞甲藍的反應中,則以海膽形在25℃時表現最佳。最後改變染料溶液的pH 值,發現TiO2 海膽形在pH5.7 時表現較佳,MnO2 則是在低pH 時有較高的去除率,推測該結果與顆粒零電荷點及染料pKa 值相關。透過BET 與PL分析,TiO2 海膽形及MnO2 海膽形有較佳的比表面積與氧化能力,故整體去除效果最佳。此外本實驗亦利用LC-MS 驗證反應的確成功分解染料,且利用模式生物試驗證實處理後之溶液對生物毒性明顯降低。

探討候選基因對角質層與氣孔發育的調控之影響

植物進化成陸生植物的過程中,氣孔和角質層是關鍵特徵。氣孔由保衛細胞調控,負責二氧化碳進入和水分蒸發;角質層則保護植物免受水分流失及環境壓力。調控這些特徵的基因尚不明確。本研究利用全基因組關聯分析(GWAS)探討阿拉伯芥的角質層和氣孔發育。GWAS結果顯示,與角質層厚度相關的基因位於第二條染色體,而與二氧化碳吸收效率相關的基因位於第五條染色體。氣孔導度和水分吸收效率的調控基因可能在第一、三、四條染色體上。角質層變薄時,氣孔密度下降,導致氣孔導度和水分蒸散率上升;而當角質層通透性增加到一定程度時,二氧化碳固定效率達飽和。此外,透過反向遺傳學篩選候選基因,研究特定基因對角質層合成及光合作用效率的影響。突變株分析顯示,抑制控制角質層或氣孔的基因會促進另一性狀的表現,未來可進一步探討自然族群中相關基因的功能。

宜蘭地區風場與地形交互作用下的雨量分析

本研究利用中央氣象署2003年至2022年在宜蘭地區的地面測站雨量及風場觀測資料,分別在蘭陽溪以北與以南的平原與山區各選取十個測站進行分析,再輔以宜蘭降雨觀測計畫所提供的探空斜溫圖,探討宜蘭地區三維風場及因特殊地形作用所產生的雨量分布及變化。研究結果顯示:宜蘭地區的降雨量多寡與降雨特性分成五區,分別是中央山脈迎風面(4000~5000mm)>雪山山脈山區(約3500mm)>平原內部(2500~3200mm)>中央山脈背風側(約2700mm)>無地形作用(約1200mm)。其中中央山脈迎風地區年雨量逐年上升,背風面雨量逐年下降。另大尺度的東北季風進入宜蘭平原,與地形交互作用產生繞流西風再與低層東北季風產生輻合舉升作用,常造成了宜蘭地區冬季劇烈降雨事件。

大「逆」不道—局部逆境下植物體內傳訊與物質分配機制

When a leaf of a plant encounters stress, how does the plant convey the stress signal to other tissues and manage nutrient distribution? This field of study has been largely unexplored. However, the unique interconnected frond structure of Lemna trisulca, along with the use of a divided Petri dish, is very suitable for handling localized stress and investigating the mechanisms of intracellular signaling and nutrient distribution. Research has shown that when the mother leaf experiences localized stress, it releases healthy daughter leaves to minimize collateral damage to the daughter leaves. Conversely, when the daughter leaves face localized stress, the mother leaf chooses to retain them and continues supplying them with nutrients to support their survival. In-depth studies revealed that stressed daughter leaves accumulate Reactive Oxygen Species (ROS), triggering nutrient distribution by sending a distress signal to the mother leaf. This prompts the mother leaf to use Ca2+ as a signaling molecule to deliver nutrients to the daughter leaves. Selective detachment is regulated and triggered by the interaction between Ca2+ and ROS within the mother leaf. When the mother leaf undergoes stress, Ca2+ acts upstream to induce ROS accumulation at the nodes, sending a unidirectional detachment signal to the daughter leaves. This causes ROS accumulation at the daughter leaf nodes, inducing detachment and thereby reducing the collateral damage the daughter leaf could experience due to the mother leaves.

花容失色-鳳凰花的旗瓣為何會先凋零?

鳳凰木的花朵擁有五片花瓣,上方花瓣與其他紅色花瓣不同,是白色底紅色斑點,根據文獻,這片花瓣稱為旗瓣,功能是作為蜜標來吸引傳粉者。研究觀察發現鳳凰花的旗瓣會先捲曲凋零,和蜜標存在的功能互相矛盾,本組推論與環境、授粉有關連。經研究發現,旗瓣凋零與生長環境、花粉及花蜜是否被採集無關,與授粉方式有關。異株授粉導致旗瓣凋零的時間提前;同株異花授粉旗瓣凋零的時間與自然狀態相近;自花授粉、無授粉則導致旗瓣凋零的時間延後。異株授粉對鳳凰花而言是有效且成功的授粉,會導致旗瓣提早凋零,蜜標隱藏,提高其他尚未有效授粉花朵成功授粉的機會,並且產生成熟的種莢。無效的授粉會導致旗瓣凋零時間延後,藉此等待有效的授粉機會。

語音模型逆向攻擊架構分析與防禦策略探討

本研究中,我們對模型逆向攻擊在語音辨識系統中的影響及風險進行深入分析。隨著Siri、Google Home等智能助理設備在日常生活中的廣泛使用,其語者辨識系統的安全隱患引起了我們的注意。本研究目的在於深入理解模型逆向攻擊的運作機制,並探討其對語音辨識系統的攻擊效果。我們透過實施多樣化的攻擊策略,對不同的模型架構和數據處理方法進行了評估,並對人聲與非人聲的數據集進行了攻擊效果的比較。此外,我們亦實現了基於差分隱私的防禦算法,在多數模型架構下達到接近50%的防禦效果,顯著提高攻擊代價。研究整體揭示了語音辨識系統在面對模型逆向攻擊時的脆弱性,並藉由實驗分析推論出可能的防禦策略,期待能通過策略來增強模型的安全性。

為視障者開發之學習輔助平台:結合Image-to-3D AI 模型之可觸式三維擴增實境顯示器與個人化之檢索增強生成(RAG)自然文字系統

全球約有9千萬的兒童是視障者,他們的學習依賴著點字器材。點字書難以傳達3D (三維)圖形的概念,讓他們在理解3D圖形有許多挑戰,而點字書過長的文字描述加大了他們與正常同儕之間的差距。本研究旨在開發一個學習輔助平臺,同時強化視障者的觸覺認知和文字圖形理解能力。 在強化觸覺認知方面,開發之系統能將傳統的圖片,利用影像轉3D之人工智慧建模(Image-to-3D AI model)技術,轉換圖片轉為3D,呈現在開發的擴增實境顯示器上,讓視障者能夠親身透過觸摸立體顯示器之3D模型,瞭解圖片表達的空間結構。在文字優化方面,利用微調大型語言模型與搜索式強化生成等方法,優化視障者閱讀之內容。系統開發過程中,二位視障者進行體驗,持續以修正系統設計的便利性、友善性與有效性。 本研究成果為視障者帶來新式個人化的學習輔助工具,增強視障者對立體圖形學習能力與文字理解。