全國中小學科展

2025年

麩醯胺酸誘導阿拉伯芥的受體表現

自然界中,植物以NO₃⁻和NH4+作為主要氮源,在吸收後轉化為麩胺酸(Glu)和麩醯胺酸(Gln)作為第一產物進行基本生理反應,在我們實驗室先前的研究中,發現Gln會誘導阿拉伯芥側根生長、壓力反應和抗病性,所以提出了一種假說「細胞外的Gln是營養氮源,也是一種“危險訊號”」,藉由可能存在的Gln的受體表現。目前我進行了其中三組受體的測試,分別是wall-associated kinase2(WAK2)、wall-associated kinase3(WAK3)和EF-Tu受體(EFR),WAK家族是穩定細胞壁果膠的受體激酶,然而我們實驗中發現WAK3在wak3 muntant的表現是不穩定的。EFR為接收EF-Tu(elongation factor thermal unstable)的模式辨識受體(PRR),參與活化植物防禦及PAMP-triggered immunity (PTI),efr muntant在Gln的誘導下表現了防禦相關基因與水楊酸生成之相關基因。本研究將有助於深入理解Gln在植物防禦和側根生長中的功能及其調控機制,並為未來的作物改良和病害防治提供理論基礎。

Application of Carbon Aerogels in Lithium-Air Batteries

One of the main challenges with today’s batteries is their relatively low volumetric and specific capacities. The highest specific capacity can be achieved with lithium-air batteries, which use metallic lithium as the anode and typically some form of porous carbon as the cathode. To enhance performance, aerogels—among the world’s lightest solid materials—are ideal candidates for cathodes. Resorcinol-formaldehyde (RF)-based carbon aerogels, for example, serve this purpose well. In my work, I utilized two types of carbon aerogels as cathode materials: one derived from pyrolyzed resorcinol-formaldehyde polymer and the other a graphene-oxide-modified version of this carbon gel. I integrated the carbon aerogels I had pyrolyzed into lithium-air batteries to improve the cell’s performance, energy density, and capacity compared to cells using activated carbon. In my research, I examined the pore structure and surface properties of these materials in aqueous media using NMR (nuclear magnetic resonance) relaxometry and cryoporometry, exploring their impact on battery efficiency. I found that the graphene-oxide-containing sample's pores filled with water in a layered manner, indicating a more hydrophilic surface, which suggests a denser arrangement of oxygen-containing functional groups compared to the unmodified carbon aerogel. The pore sizes were reduced after adding graphene oxide, resulting in an increased specific surface area for the sample. Incorporating the reduced graphene-oxide-containing carbon aerogel enabled the creation of a more efficient, higher-capacity battery than with the RF carbon aerogel. This improved performance is likely due to the aerogel’s higher oxygen content and altered morphology. The increased oxygen content provides more active sites for oxygen reduction, meaning that a greater specific power output can be obtained from the battery.

麥克納姆輪車直線 360 度全向控制與角度誤差之探討

近年來,作者觀察到餐飲業及飯店業引入自主移動機器人(AMR)提供服務,受到廣泛歡迎。不僅如此,隨著AI的風潮,愈來愈多產業引進機器人補足人力的空缺。就輪式機器人而言,麥克納姆輪具相對優異的機動性和運動靈活性,但傳統麥克納姆輪的行進模式只侷限45度倍數的方向。針對此限制,本研究分析傳統麥克納姆輪的合力方向,通過數學推導和實際控制方式的驗證,確認其18個方向移動的數學式,再利用ESP32-S單晶片的WIFI驅動控制系統,實現並驗證 合力分析結果 接著,進一步 建立 麥克納姆輪的全向 360 度直線移動的數學式, 並且用 PWM 脈波調變,實現全向控制。此外,分析地面材質對車子移動的影響,測試出麥克納姆輪適合的地面材質,針對誤差給出可能的校正方式以達更精密的控制。希望就本研究結果擴展未來的應用範圍及使用價值。

Analyzing Glucose Metabolism Connectivity in Huntington's Disease Using Dynamic Glucose-Enhanced MRI in zQ175 and R6/2 KI Mouse Models

亨丁頓舞蹈症為與認知功能障礙密切相關的神經退行性疾病。本研究首次應用動態葡萄糖強化磁振造影(DGE MRI)以了解葡萄糖代謝作為亨丁頓舞蹈症神經影像生物標記的可行性,以分析大腦中不同區域之間的代謝關係。 本研究對腦區間葡萄糖代謝關聯性進行分析,並針對訊號進行自動化分群,觀察特定訊號樣態之特徵。於zQ175 KI和R6/2 KI小鼠中不同的連接性變化模式中,發現紋狀體和齒狀回之間葡萄糖代謝連接性具顯著變化,與已知病理一致,顯示DGE MRI作為臨床生物標記之潛力,以利及時診斷和監測該疾病。 這項開創性的研究探索了使用DGE MRI作為亨丁頓舞蹈症影像標記可行性,並詳細分析腦區間葡萄糖代謝相關性,不僅進一步對該疾病之病理更加深入了解,同時提高早期診斷、疾病監測和精準醫療應用發展,說明可能有針對代謝紊亂的潛在治療策略。

自組裝DNA探針於GNP@PANI電極以檢測miRNA

在許多疾病,如癌症、心血管等疾病中,微核醣核酸 ( microRNA,簡稱miRNA) 的表現水平可作為診斷指標。現行檢測miRNA多使用RT-qPCR,然而此技術成本高、操作繁瑣且耗時。本研究自行設計可抓取目標miR-155的DNA分子探針,透過化學合成與修飾將此探針接合在奈米金-聚苯胺( GNP@PANI )電極上,組裝出具靈敏度與特異性的DNA分子電極。實驗結果顯示:此自組裝探針電極具有良好的線性檢量關係,偵測極限可達0.1 nM。在摻雜多種miRNA的樣品中,此電極仍具有極佳的專一性,回收率高達101.5 %。應用於含生物基質的尿液樣本,可不受背景干擾,其檢測差異僅約0.4 %。本研究採用電化學技術來檢測miRNA,不但成本低、操作簡便,且可依據目標分子進行客製化設計,為新一代檢測技術開創前景。

探討粒線體蛋白質GATD3A的結構、功能以及去糖化機制

GATD3A 是粒線體中的蛋白質,被推測可能具有「去糖化」的能力,能移除AGEs。糖尿病、帕金森氏症、阿茲海默症皆與人體中過高濃度的AGEs有關,因此GATD3A具有相當高的研究價值。 本研究探索GATD3A(麩醯胺酸轉移酶樣1 類結構域 3A),經基因合成與蛋白表現後,大量製備蛋白質並探討其結構與功能。目前已得到蛋白質最佳製備環境、成功培養出蛋白質晶體,進行了結構分析,了解其結構、保守性、親水性及電性等,對於酵素適合反應的溫度、pH值也有初步了解。未來也會利用酵素動力學計算酵素活性、並製備糖化蛋白質,進行去糖化測試,探討 GATD3A 是否具有臨床運用於糖尿病患者之糖化血紅素去糖化的可能性。

數位物理實驗室:毫米波雷達系統之設計與應用

本研究旨在設計基於毫米波雷達的數位物理實驗系統,用於精確量化彈簧簡諧運動。傳統物理實驗易受肉眼觀察與手動測量的誤差影響,本系統利用24GHz毫米波雷達結合自製電路板,進行即時、無接觸的運動測量。透過設計電路板、撰寫韌體訊號轉換程式,並進行數位數據分析,成功開發了靈敏的毫米波雷達系統。我們利用彈簧簡諧運動實驗驗證了該系統,觀察不同質量砝碼對彈簧運動頻率的影響。實驗結果顯示,考慮彈簧質量後,測量數據與理論結果的均方根誤差從0.62Hz降低至0.35Hz,顯示出系統的高度精確性及穩定性。本研究成功解決了傳統實驗中的量測誤差問題,以毫米波雷達技術實現了精確觀測。開源設計有助於推廣至學校的物理實驗室,為學生提供先進的實驗工具與數據分析經驗。這展示了毫米波雷達在物理實驗中的應用潛力,並為未來教學實驗提供了高效、低成本的解決方案。

含鐵、鎳之過渡金屬錯合物相變材料研究暨應用研析

量子運算發展日新月異,人類對上網溝通保密的需要與日俱增。市場已有量子資訊加解密所需的金鑰分配系統(QKD)搭配機密資料保險庫(Archive)。然實體金鑰因其安全性,不可或缺。本文探討以製備含鐵、鎳過渡金屬錯合物,利用含 X 光繞射儀等設備檢測、分析其結構與相變。並研析將該錯合物作為分子開關裝置,導入半導體製程,應用於研發上述金鑰之可行性。

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。

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.