全國中小學科展

2025年

開發腸道菌外膜蛋白質純化方法及以AlphaFold 軟體對應合適製程 Developing purification methods for outer membrane proteins of gut bacteria and matching the optimal purification process by using AlphaFold.

可再現醫療效益之腸道益生菌關鍵分子是重要蛋白質,蛋白質純化極重要但傳統方法費時耗力,導致發展腸道益生菌保健食品的成本很高。本研究取用助於改善糖尿病和血脂異常的腸道益生菌 Akkermansia muciniphila 外膜蛋白Amuc_1100為樣品,先以傳統方法開發純化製程,利用親和性層析和離子交換層析找出純化臺灣本土菌株isolate 02和國際標準菌株BAA-835之條件及其差異,確認純化蛋白質可維持3日穩定。本研究進行AlphaFold 電腦模型預測蛋白質結構並進行蛋白質序列分析,發現蛋白質本身結構和電性不同才導致isolate 02和BAA-835純化製程條件有所差異。本研究提供全新展望,透過人工智慧將蛋白質結構對應到合適製程,大幅減少研發純化條件的時程,完善蛋白質純化方法學,並得到可量產且品質穩定的純化蛋白質。未來將選用其他臺灣本土 Amuc_1100樣品以擴大驗證及建立蛋白質結構與純化製程資料庫。

探討影響臺灣周遭海域波浪能蘊藏量的關鍵因素 English Title:Investigation of Key Factors Influencing Wave Energy Potential in the Surrounding Waters of Taiwan

團隊透過分析臺灣台灣周遭八個處海洋浮標測站資料,自2021年1月到2024年10月為止之示性波高、平均週期、平均風速、海溫等資料間之相關性,並試從不同位置測站之海洋條件與大氣因素,來綜合探討影響臺灣周遭海域波浪能蘊藏量的關鍵因素。並透過分析海溫與波浪能變化的關係,試圖瞭解全球暖化平均海溫上升,對臺灣周遭波浪能蘊藏的變化趨勢。 團隊發現影響臺灣周遭海域波浪能蘊藏的因素,除了季節性季風的影響,黑潮主流以及澎湖水道的黑潮支流湧升流,也都 可能 是影響臺灣周遭海域波浪能蘊藏的重要因素。團隊也發現,在臺灣周遭海域波浪能蘊藏與海溫變化有負相關的趨勢,此現象與臺灣中央研究院針對過去70年,全球波浪能的變化趨勢並不一致。其原因可能是臺灣所屬地理位置環境的關係,也可能是分析的數據資料僅有4年無法準確看出趨勢變化。

以農電共生方式提升台灣太陽能總發電量

台灣現行的「毀農式種電」政策犧牲農地以增進太陽能發電,導致農業用地縮減、農民收入減少,能源需求與農業發展間產生衝突。我們參考日本成功的農電共生模式,提出一種可滑動的太陽能發電系統,利用Arduino控制太陽能板的開合,兼顧農地種植與發電效能。此系統結合植物光合作用原理,特別適合種植半日照作物或具有光合午休特性的植物。當植物進行光合午休時,太陽能板滑動展開以提高發電量;在強光高溫時段,太陽能板則可遮蔽陽光,避免植物葉片受損。此方案不僅能恢復「毀農式種電」土地的種植功能,也讓農民獲得穩定收入,實現農業與綠能發展的平衡。這套模型提供具體且可行的解決方案,期望在提升台灣總發電量的同時,達成淨零減碳目標,並促進農業的永續發展。

降脂轉肌–將脂肪轉變成肌肉的可能性探討

先前研究發現一種多元不飽和脂肪酸 15-keto-PGE2 能減少肌肉慢性發炎以及增加肌肉生長因子胰島素的敏感性,具有增加肌肉的潛力。我們探討此脂肪酸在小鼠中將脂肪組織轉成肌肉組織的可能性。 我們先以 15-keto-PGE2 治療肥胖型肌少症小鼠後,再以全基因組mRNA定序,發現在小鼠皮下脂肪中,肌肉特異基因表現量高度上升。透過基因表現路徑分析軟體 GSEA證實此脂肪酸會高度引發皮下脂肪中,與肌肉分化、肌肉收縮與肌肉結構相關的生物路徑。另外, 15-keto-PGE2 也可以誘導脂肪前驅細胞3T3-L1中與肌肉生成相關的基因表現。 最後,我們發現以 15-keto-PGE2 治療的老年肥胖型肌少症小鼠,體重、血糖、脂肪比例下降,肌肉質量及力量上升,證實了它在體內同時減少脂肪並增加肌肉量的效果。

以深度學習進行籃球慣用動作分析

本研究聚焦於籃球員的慣用動作分析,透過深度學習技術開發了一套籃球動作分析系統,旨在準確分析籃球員在籃球運動中的個人動作特徵來進行動作辨識。我們透過自行蒐集籃球動作的影片,並使用MMAction2這個資源庫來進行動作辨識模型的訓練,將訓練好的動作辨識模型用開發慣用動作分析系統。系統流程首先使用滑動視窗(Sliding Window)的機制將即時拍攝的影像變成有序列的連續影像片段,再即時傳送至進攻動作辨識的深度學習模型中,來辨識出連續影像片段中的動作序列屬於何種特定動作,藉此將多個連續影像片段中的動作序列各自轉換為單一動作單元並依次輸出。最終,系統基於前述單一動作資料進行綜合分析,以統計使用者的籃球慣用動作。此分析系統能為籃球愛好者提供清晰的動作偏好資料,具有提升訓練成效的潛力,同時為籃球技術分析與訓練提供了一個精確的數據分析工具。

Wrong seating around the table

本研究探討在一場圓桌會議中,n人逐一亂序入場找尋各自對應的名牌編號(1~n號)入座,其中1號第一個入場並坐到了k號位,此後入場的人們若發現與自己編號相同的位置是空的,就直接入座;若與自己編號相同的位置被占走了,就以逆時針方向尋找空位入座。在上述的規則下,若共有n 人,且 1 號坐到 k號位的情況,給予與問題相關統計量的組合證明。後續本研究將規則改為1 ~ p號 按照順序進場且皆想坐到 k 號位的前提下,探討了坐錯的人們是怎麼樣的循環和坐錯人數的次數分佈。並多數的研究結果皆與 stirling numbers of the first kind 有相關。 本研究還 探討了共有 n 人,且 1 號坐到 k號位的情況下, 坐錯人數的標準差函數的遞增情況 與對數函數完全曲線相關。

Wibrazz

Wibrazz is a wearable communication tool that allows the teacher, the therapist, the parent to communicate information to the child remotely using the device. Haptic (vibrationbased) feedback is becoming increasingly important in everyday life. A vibrating device that transmits information through clothing can help people with disabilities who have no or limited sensory use to live an integrated life in society without barriers.

蚊蟲翅音的定性與防治應用

為隔離環境聲音增加蚊蟲專一性的聲音,自行製作降噪錄音箱,分析聲譜使用Audacity及Room EQ Wizard兩個軟體,結果顯示自製錄音箱可吸收95.7%的環境聲音能量。白線斑蚊的雄蚊平衡棍長與翅音統計達顯著相關;而雌蚊平衡棍長與翅長統計達顯著相關。白線斑蚊及埃及斑蚊兩者翅音皆具有專一性,同種雄蚊及雌蚊會受彼此翅音誘引,而雌蚊交尾後會被同種交尾雌蚊翅音誘引。雌性埃及斑蚊交尾後的翅音對同種雌蚊平均誘引產卵率為85.8%,統計達顯著差異。自製捕蚊機(合成翅音誘捕,平均誘捕率為66.7%)較市售捕蚊機(UV光誘捕,平均誘捕率49.7%)誘捕率高出17.0%。自製捕蚊機可做為白線斑蚊及埃及斑蚊防治資材之一,且為環境友善防治法。

磁星短x射線爆發特徵分析:以1E2259+586為例

我們是探討磁星的短X射線爆發(Short X-ray burst)。利用RXTE太空望遠鏡觀測磁星1E2259+586的數據,經由Bayesian block方法對光變曲線篩選找出爆發,並配合「波松分佈」與「虛無假設」找出50筆爆發事件(爆發的正確性有5σ的信心水準)。再利用HDBSCAN非監督式學習演算法來對短X射線爆發進行分群,找出此磁星有「短暫且高能爆發、中等持續與能量爆發、較長持續且溫和爆發、快速且低能爆發」現象,暗示了磁星爆發的多樣性並有不同的爆發機制。此外我們也發現磁星可能有「週期性」的現象,也許是自轉週期、地殼受的應力或磁場變化經過同樣時間累積(有週期性)而爆發。我們也比對有快速電波爆發 (Fast radio burst, FRB)的磁星SGR 1935+2154,看是否1E2259+586有FRB現象,結果暗示1E2259+586可能沒有FRB現象。

腔體共振與開孔氣流的探討

本研究探討聲音共振引起腔體開口處氣流噴出的現象。實驗通過揚聲器播放聲音,使固定的錐形瓶產生共振,並改變聲音頻率、聲音強度及腔體參數(體積、瓶口截面積、瓶頸長度)分析氣流的形成原理與機制。腔體非共振情況下,腔體內外氣壓的振幅差較小,且存在相位差,此時開口處並未測得氣流;而在共振時,腔體內氣壓振幅顯著增加,導致開口處出現氣流且流速達到峰值。而流速峰值頻率與腔體幾何參數的關係符合修正後的亥姆霍茲共振公式,其中瓶頸有效長度應為L+1.45D。此外,氣流形態受衝程比L/D影響,當衝程比小於0.1時,氣體噴出後容易被重新吸回腔體,無法形成噴流;而衝程比大於0.4時,噴出氣流形成穩定的不連續渦流環,即合成噴流;在0.1至0.4之間時,氣流形態處於過渡狀態。本研究為聲能轉動能方面提供新的研究途徑,並有進階研究的可能性。