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2015台灣國際科展 民俗祕方、太空氣候、蟑螂觸角皆題材 

文/劉珈均、蔡佩容、簡韻真

台灣國際科展自2002年起舉辦,像個科學競技場,各國好手在此交流、過招,選手的競技選擇繁多,有數學、化學、物理與天文學、動物學、微生物學、醫學與健康科學、行為與社會科學等13科,看見這些只有15到18歲左右的國高中生,是如此努力地「應用所學增進人類福祉」,若你也(跟採編們一樣)抱憾自己高中時代被考卷淹沒,一起來看看上個月的科展有哪些中學生驚人研究,逛逛今年來自20國家、展出150件作品的有趣攤位吧!

青少年科學家得主

各科獲獎學生有機會被選派繼續參與美國、荷蘭等國際科展,大會評審並從13科的一等獎選拔出三件專題,成為科展最高榮譽「青少年科學獎」,今年由建中高一生陳韋同、台中一中高二生李嘉峻、來自美國的華裔高中生張杰西(Jesse Zhang)共同獲得這最大獎。

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由左至右分別為陳韋同、李嘉峻、張杰西。圖/劉珈均攝。

陳韋同已不是第一次進入國際科展複賽了,此次他設計「單點定位系統應用於無人飛行器控制系統」,厲害的地方在於,只要單一參考點,即可即時而精準的定位!目前常用的定位系統仍稍有不便,如GPS定位需要三四顆衛星,且無法用於室內追蹤;一般室內定位用的RSSI技術(Received Signal Strength Indicator)亦需要至少三個定位點,且訊號易受物體干擾或牆壁反射,常得多一道演算法抵消;無人飛行器常以相機定位,易有死角,也有妨害隱私疑慮。陳韋同讓定位點減少的方法是利用兩個旋轉速率不同的磁鐵產生磁場變化,只要測磁場的相位差,再配合分頻多工(Frequency Division Multiplexing)的數位訊號處理,就可得知物體在三度空間中的位置與角度,相當方便用於室內定位。年紀輕輕的他已在申請專利,除了應用於無人飛行器,也可延伸用在行動穿戴裝置、照護機器人甚至送餐機器人的室內定位控制,讓機器人更完美地執行任務。

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根據GOCE衛星資料繪成的地球洋流影像。photo credit:ESA/CNES/CLS

太空也要有天氣預報!大氣層最上層的熱氣層常受太陽風影響,讓空氣分子的密度產生變化,這也會影響到在這個高度巡弋的衛星。來自美國科羅拉多州的張杰西發現,除了太陽風之外,月球重力場也對大氣層上層的「太空天氣」影響甚鉅。他分析歐洲太空總署2009至2013年的的GOCE海洋環流探測衛星資料(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer, GOCE),由該衛星提供的地球磁場、地表冰層厚度及洋流等數據,計算出不受月潮振盪和地磁影響的結果。發現月球的重力也會影響增溫層的氣象,如同影響地球的潮汐一般,且影響力可以達到太陽風的 50 %。這個月潮信號(lunar tidal signature)的動態分布與氣層的相對密度及帶狀氣流(zonal wind)都有季節-緯度(seasonal-latitudinal)上的關係。

李嘉峻喜歡數學,在看書過程中看到有趣的題目,他以六個環狀數字為雛形,分析相間兩數字相減之後的絕對值,在這些環狀排列的條件下,探討其守衡狀態及其全數歸零的研究。李嘉峻說,不同於一般多以數論角度去解釋數列的性質,這專題提供另一個角度討論盧卡斯數列與梅森數列;就實際應用,守衡狀態中的同餘性質或許可用於通訊傳遞與密碼學的加密資料,不過這是否可行還要進一步探究。

颱風、鄉野傳說、攝影機腳架──生活即科學

每個家庭可能都有些祖傳秘方,從小立志當醫生的加拿大高中生艾蜜莉˙歐萊里(Emily O’Reilly)也不例外,她的科展作品靈感來自她克羅埃西亞爺爺的「民俗保健食品」──杏子(apricot)。幽門螺旋桿菌會引起胃黏膜慢性發炎,進而導致胃及十二指腸潰瘍,甚至胃癌。在她爺爺的家鄉,相傳杏子可以治療胃癌,歐萊里歷時一年作這實驗專題,她移去杏仁中的氰化物成份,以確定幽門螺旋桿菌不是被氰化物殺死,再將杏子萃取物加進幽門螺旋桿菌的培養皿,發現杏子萃取物的確能產生生長抑制圈。歐萊里的爺爺已過世,歐萊里以此專題紀念爺爺,她也期盼未來能進一步研究杏子對抗胃癌的功效及應用。

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加拿大高中生艾蜜莉˙歐萊里探討爺爺家鄉的「民俗保健食品」杏子是否真有抑制胃病的效用,以此專題紀念爺爺。圖/劉珈均攝。

人人喊打的外來入侵種「小花蔓澤蘭」嚴重影響台灣本土生態系。但是曉明女中的許芷瑄利用移植腫瘤到裸鼠身上,發現小花蔓澤蘭的葉和根莖萃取物有清除自由基的能力,以及保護紅血球不受自由基誘發溶血反應,研究也發現它可以抑制血癌細胞生長。換句話說,小花蔓澤蘭可能具有抗氧化及抗血癌的功效!若未來成功利用它開發預防自由基疾病及抗癌的保健食品,也許就能促使大家踴躍除去小花蔓澤蘭,讓台灣生態系鬆一口氣,還另外賦予了「害草」重大生存意義(天生我材必有用,突然有點勵志啊)。

每次颱風來襲,大家除了關心有沒有放假之外,也都會緊盯颱風轉來轉去到底會從哪裡登陸,來自美國的吳威廉(William Wu)也希望能找到預測墨西哥灣颶風登陸地點的方式。他分析超過八十筆颶風登陸的歷史資料後,發現颶風登陸地點與路徑的相關性。他將會指向登陸地點的颶風路徑的切線位置連起來,建立出三條紐帶,當颶風經過時,可以大致估計其前往的登陸地點,他說這種方法的平均預測誤差比目前美國國家颶風中心模型的預測誤差少了 50 %。

天文學專題在科展屬鳳毛麟角,今年北一女學生柯芷蓉與江郁儀從選修課的作業延伸發想專題,從高一斷斷續續作到高三,探討紅移與星系顏色的關係,此專題拿下物理與天文學科別首獎。天文學家用望遠鏡擷取遙遠星系的資料,而宇宙正在加速膨脹,導致星系的顏色會往光譜波長較長的紅光方向移動,此為「紅移」,天體距離愈遠,遠離速度愈快,紅移值愈高,紅移值可用於計算地球與天體的距離。柯芷蓉說,他們看到一篇研究(Strateva et al. 2001),該研究使用史隆巡天計畫(SDSS)釋出的數據推想,但當時SDSS尚未有紅移資料,因此該學者用星系的亮度推論紅移,設想愈暗的星系,離地球愈遠,紅移值也愈高,偏紅星系的紅移值高會偏紅,但偏藍的星系紅移值愈高則偏藍。「這感覺跟我們課堂聽到的天文知識相衝突。」他們決定深入探究。柯芷蓉說,SDSS後期的資料有紅移值,他們分析SDSS第7至12版本的57萬多筆資料,加入實際觀測的紅移數據,重新探討紅移值與星系顏色、亮度的關係,發現紅移與顏色並無絕對的線性對應關係,不能從亮度推論紅移,且偏藍星系紅移值高一樣偏紅。他們修正了原本缺乏資訊造成的誤差,讓星系資訊更精確。

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瑞士高中生埃利亞斯˙漢普的多軸手持腳架在現場吸引大批人潮。圖/劉珈均攝。

現場非常受歡迎的瑞士高中生埃利亞斯˙漢普(Elias Hampp)設計了多軸攝影機手持腳架,不論各種手持姿勢,腳架縱軸重心皆可巧妙的維持不變,其多軸關節緩衝手持給予的外力,讓影像維持平穩、不晃動,使用者也可調整螺絲位置,分配力矩配重。這腳架加上一台GoPro,簡直無往不利!只可惜腳架重量略沉了一點,小編熱烈期待以後是否有更輕巧的作品上市(若太輕巧,手持又容易晃動影像了,得抓到平衡點)。

國際科展有蟑螂入侵!

蜚蠊目 姬蜚蠊科 德國姬蠊 Blattella germanica  94昆蟲營 惠蓀林場

圖為德國姬蠊。photo credit: https://flic.kr/p/4Z7S7。

中山女高的生物老師蔡任圃有個綽號「蟑螂艦長」,他期望教育不只傳遞知識,更要引燃熱情,總是不斷鼓勵學生去闖。林沂萱、陳永文所做的《螂吞虎嚥》利用影像分析及電位記錄,探討斐蠊前腸的消化機制,結果發現牠們可以敏感偵測人體無法辨識的低揮發性物質,也會對可能影響酸鹼與滲透壓恆定的物質呈現趨避反應,未來也許可以利用這些趨避性來調配蟑螂藥。

另一組的姚乃筠、毛靖雯研究非真社會性昆蟲的蜚蠊,是否像黃蜂一樣,具有警告費洛蒙(alarm pheromone),能提醒其他個體逃亡或攻擊。結果發現自美洲蟑螂 (Periplaneta americana )分泌萃取的警告物質,具種內甚至是種間驅散效果,顯示其可能不為單一物種專屬的費洛蒙;此外,在不同性別與年齡間有不同的反應,推測分別有行為演化上的意義。未來也許可以利用以上兩組發現的趨避性甚至警戒物質,調配對環境傷害更小的蟑螂藥。

蟑螂總是惱人的爬上爬下,迅速躲開拖鞋攻勢,李欣玫與陳韻安探討蟑螂是不是能知道重力方向在哪裡。依據文獻資料,多數昆蟲用本體感受器如肌肉、關節、毛板等偵測身體各處的壓力,整合壓力資訊後才能推測出重力方向,這種方式需要較長的時間,若壓力資訊錯誤或身體各處壓力均等(例如被埋在沙子中),就會導致昆蟲判斷錯誤。蟑螂在地面、天花板、牆面等處爬行的過程中,重力方向不時變換,而蟑螂爬行速度又快,因此,李欣玫與陳韻安推論蟑螂身上有直接偵測重力的器官,讓牠可以迅速正確地判斷重力方向並作出反射以避免摔落,他們稱該器官為重力感受器(gravity receptor)。他們研究發現:蟑螂的觸角以及位於腹部末端的尾毛就是重力感受器;觸角需要兩側都存在才保有完整功能,尾毛只需單側即可;觸角的擺動可能是感測到重力方向改變後,產生的反射;蟑螂的尾毛有一種像小石頭的構造懸掛表面,與人類的耳石(同是與平衡有關的構造)十分相似,這種小石頭或許跟蟑螂感測重力有關,若之後有更多研究,找出相關的平衡機制,也許未來可以利用蟑螂來研究與人類前庭系統(包括耳石)相關的疾病。困擾很多人的暈眩症就是跟耳石有關,但耳石在耳朵裡,又小又不好找,若能利用長在蟑螂尾毛表面的小石頭研究應該會方便許多。

社科學生站出來 科展不由理工組「壟斷」

在這充滿自然組與理工氣息的場合,「行為與社會科學類」的攤位顯得獨樹一幟,國外科展多有此項目,台灣國際科展則是近三年才新增此科別。

北一女學生黃以寧與孟玉婕研究身障者與消費行為,過去研究顯示,不論是求職或消費,身障者常受到不平等待遇,黃以寧與孟玉婕換個角度想,若讓身障者轉換角色,位於生產者端,所受待遇如何?她們到夜市擺攤,請同一人分飾正常人與坐輪椅的身障者兩個角色,賣飲料六天,她們觀察記錄輔以問卷,分析來往一百多位顧客的行為。她們調查發現,年齡較高或是平日不常購買飲料的消費者,向身障業者購買飲料的比例及可能性較高(雖然購買行為受飲料吸引程度影響極高),這些族群的消費行為可能更受同理心驅策,其他變項如性別則較不顯著。她們希望藉由這些研究未來可以幫助身障業者,在打動消費者的時候做到更有效的行銷。

南非高中生蕾雅˙法蘭區(Leia French)自己設計遊戲「Gaming for Social Change」,在遊戲關卡中埋入社會議題暗示,希望以遊戲喚起對南非社會議題的關注,例如缺水問題、基礎建設不足、煤油燈造成的火災。蕾雅以問卷分析90位玩家玩遊戲前後的價值觀改變,發現這類遊戲能較輕鬆而更貼近生活的方式,喚起大家對社會議題的重視。

有趣的作品太多實在寫不下,對其他專題作品有興趣的讀者可以上科教館的網站看更多歷年的得獎作品。

 

關於作者

劉珈均

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。