2024 年赛默飞世尔科技青年创新者挑战赛项目展览
赛默飞世尔科技青少年创新者挑战赛 (Thermo Fisher JIC) 是美国首屈一指的中学生科学、技术、工程和数学 (STEM) 竞赛，旨在激励年轻的科学家、工程师和创新者解决未来的重大挑战。
赛默飞世尔联合科学竞赛每年通过该协会的附属展览会网络覆盖 65,000 名学生。在当地附属科学展览会中名列前 10% 的学生有资格参加赛默飞世尔联合科学竞赛，这是唯一一项利用协会附属科学展览会作为 STEM 人才培养重要组成部分的中学 STEM 竞赛。
以下是2024年JIC青年创新者挑战赛前30名决赛选手的项目简介。
梅多特·廷塞·阿亚丽
弗吉尼亚州阿灵顿市肯莫尔中学 7 年级
Maedot 一直想看极光。“尽管我尝试了很多次，但我还是没看到北极光，”她说。“这让我想到了第二好的事情，那就是研究。”极光是由日冕物质抛射 (CME) 引起的，日冕物质抛射是从太阳日冕中喷出的等离子云和磁场。虽然它们在阿拉斯加等地创造了一场美丽的灯光秀，但 CME 也会摧毁卫星并增加宇航员的癌症风险。Maedot 决定找出 CME 在一年中的什么时候最强烈。
【利用太阳和日光层观测卫星研究季节变化对日冕物质抛射运动学的影响】
项目背景
Maedot 使用了来自太阳和日光层观测站 (SOHO) 航天器上的大角度和光谱日冕仪 (LASCO) 的免费数据库。该仪器自 1996 年以来一直在收集 CME 的数据。Maedot 查看了 2018 年至 2022 年每个月的 CME 数据。对于数据库中的每个 CME，她进行了三次测量，并使用数学公式来确定 CME 的速度和加速度。
Maedot 表示，日冕物质抛射的速度在秋季最高，其次是春季，但日冕物质抛射的加速度在春季最高，其次是秋季。春季和秋季是地球和太阳磁场最接近的时期。“日冕物质抛射对卫星造成巨大损害，”Maedot 说。日冕物质抛射还会伤害宇航员。“通过了解哪些季节日冕物质抛射的运动最强，科学家可以避开这些时间段。”
项目之外
“足球让我的生活多方面都得到了改善，”梅多特说。“我必须快速思考，并立即做出决定。”她还在学习阿姆哈拉语，这是她的家人在埃塞俄比亚说的语言。梅多特三岁时移居美国。“我仍在重新学习如何说我的母语，这是我后悔失去的一部分，”她说。梅多特想成为一名天体物理学家。“宇宙对我来说一直充满着某种奇妙。”
卡琳娜·安德烈亚·博布列斯库
纽约州纽约市亨特学院高中 7 年级
海啸可以在短短几分钟内造成巨大破坏，因为几层楼高的巨浪会淹没人和建筑物。但海啸很少发生，而且海啸屏障很丑陋，会危害野生动物和海洋产业。“我想看看我能否找到一种方法，让屏障更有效，同时解决这些问题，”卡丽娜说。她决定比较海岸上的海啸屏障和更远的海洋中的海啸屏障。
【打破海浪：设置海啸屏障以最大程度地缓解海浪】
项目背景
卡丽娜用一个大塑料箱和一个泡沫塑料“岸边”以及水建造了一个海岸线模型，以形成一片平静的“海洋”。然后，她将一个装满水的袋子放在盒子的“海洋”一端，并将其扔下，形成了一个大浪。卡丽娜测量了海岸线另一边的水量。然后，她在波浪前放置了不同的屏障。她测试了岸边的屏障、靠近海岸的部分淹没的屏障和更远的部分淹没的屏障，每次都形成一个波浪并测量溢出屏障的水量。
Carina 表示，海岸线屏障最为有效，可将“洪水”减少 81.72%。靠近海岸的屏障可将溢流减少 63.45%，而最远的屏障可将溢流减少 52%。
项目之外
卡丽娜是一名游泳运动员，也是学生会成员，喜欢辩论队和模拟联合国。“我可以在一个伟大的社区里讨论我关心的话题，”她说。但她最喜欢的是阅读。“它既能把我带到一切皆有可能的境界，又能让我了解我所生活的世界的迷人信息，”卡丽娜说。“我也非常喜欢写诗和短篇小说，因为我可以通过它表达我的想法。”她想成为一名医生，将她对科学的热情应用于改善人们的生活。
奥利弗·尼古拉斯·科特雷尔
加利福尼亚州拉霍亚市拉霍亚乡村走读学校 6 年级
奥利弗一直热爱曲棍球，年轻时曾梦想成为一名职业曲棍球运动员。他一直在寻找新方法来练习自己的技能。奥利弗拥有一台机器来帮助他提高控球能力，但他想要一台机器来帮助他练习接球和传球。他很伤心地发现没有机器可以帮助他。“我决定将我对曲棍球的热爱和电子产品结合起来，以帮助他传球，”他说。
【自动冰球传球机】
项目背景
在思考如何制作冰球传球器时，“我想到网球和棒球等运动的投球机，”奥利弗说。“它可以随机地向不同位置发射冰球，同时还有另一种模式，可以通过摄像头跟踪球员。”他的传球机是一个大立方体，里面有一个转盘，还有一个用来存放冰球的管子和两个用来发射冰球的马达。
但只朝一个方向发射冰球还不够。奥利弗还在传球机顶部连接了一个摄像头，并用 Raspberry Pi 连接了摄像头和电机。这台微型计算机可以检测到玩家头盔上的一个蓝色球，并可以利用它向玩家方向发射冰球。它还可以随机发射，让玩家更努力地接住传球。
项目之外
奥利弗当然喜欢打曲棍球，但他也喜欢排球、足球，甚至柔术。“这些运动让我保持良好的精神状态，因为我从比赛和四处走动中自然而然地获得了乐趣，”他说。他现在更愿意成为一名机械工程师，而不是职业曲棍球运动员。“当我第一次接触电子产品时，它对我来说是一种神奇的东西，它给了我和朋友一起玩的感觉，”他说。“解决问题让它变得更好。”
新西兰·墨菲·多布罗夫斯基
蒙大拿州米苏拉市米苏拉国际学校 8 年级
当天气变得干燥时，植物最先察觉到。但直到它们开始枯萎，通常很难发现绿色植物正在失去水分。“直接测量燃料水分含量非常耗时，而且需要破坏性取样，”Zealand 说。干燥的植物是野火的绝佳引火物。如果科学家能够远程检测植物的水分含量，“可能有助于提高野火风险等级”。Zealand 决定根据叶子的颜色来测量叶子的燃料水分含量 (FMC)。
【高光谱遥感可以用来估计燃料水分含量吗？】
项目背景
西兰首先种植了两株白鹤芋。他给植物浇水，等了半个小时，然后每株剪下五片叶子。这些叶子在高温下晾干，同时他用光谱仪测量它们的颜色。植物的质量会根据其中的水分含量而变化，因此西兰在叶子晾干时称重。
他能够证明重量占树叶颜色变化的 70-89%。这意味着树叶的颜色可以用来测量树叶的干燥程度。“合乎逻辑的下一步是利用自然环境中 FMC 的远程估计来提高火灾风险等级，”他说。
项目之外
西兰热爱篮球。“我的梦想是进入一流大学打篮球，并获得学术奖学金，”他说。他很想去加州大学伯克利分校，“因为我的父母就读于那里。”西兰还学习合气道。他可能成为一名物理学家或化学家。“我真的想发现世界的深层秘密，想知道宇宙为何被创造出来，”他说。
吉赛尔·德鲁伊特
6 年级，家庭学校加利福尼亚州帕洛阿尔托
“我从小就被诊断为隐形诵读困难症，我一直想知道我是否能找到一种治疗方法来治疗我每天所面对的困难，”吉赛尔说。在参加遗传学暑期课程时，她了解了表观遗传学——环境可以改变 DNA 的表达方式，而不会改变 DNA 本身。吉赛尔还了解了肠道和大脑之间的关系，以及短链脂肪酸 (SCFA) 如何影响大脑功能。运动、睡眠和纤维摄入量等因素可以改变 SCFA 的产生。吉赛尔决定研究 SCFA 与诵读困难的重要基因之间的关系。
【肠道微生物群 SCFA 表观遗传对诵读困难和 ADHD 基因表达的影响】
项目背景
吉赛尔研究了秀丽隐杆线虫（一种经常用于科学研究的微小线虫）的基因。在人类中，基因 DCDC2 在语言处理中起着重要作用。虽然线虫不会说话，但它们有一个类似的基因，RPI-1。吉赛尔研究了 RPI-1 基因对 SCFA 的反应。她在不同的线虫的培养皿中分别加入 10、20 或 40 微升 SCFA，三天后，她检查了 RPI-1 基因在细胞中的表达量。
吉赛尔表示，如果线虫摄入更多的 SCFA，它们表达的 RPI-1 就会减少。“这意味着，达到特定的 SCFA 水平阈值可能会通过表观遗传机制影响阅读障碍和 ADHD 症状，包括受环境而非 DNA 影响的基因表达变化，”她说。
项目之外
吉赛尔喜欢打网球，尽管她说自己打得不是很好。“通过打网球，我学会了如何坚韧、乐观和不断尝试，”她说。吉赛尔想成为一名生物学家。她将对科学的热情与对绘画的热爱融为一体。“我最喜欢的作品之一是‘超级生物女孩’，这是我创造的一个角色，她利用基因工程对抗疾病，”她说。“我认为科学需要有创造力，因为它让我们将通常不相关的概念联系在一起。”
帕克·弗林
7 年级，家庭学校，弗吉尼亚州夏洛茨维尔
帕克的叔叔有一条船。在学习船舶知识的同时，帕克也了解到了腐蚀问题。“现代船舶大多由钢等金属制成。因此，当它们处于海水（电解质）中时，它们会很快腐蚀，”帕克说。帕克的叔叔在船体上使用锌作为牺牲金属，以形成所谓的阴极保护来防止腐蚀。帕克很好奇哪种阴极保护方法最有效。
【测试腐蚀：钢的阴极保护类型】
项目背景
帕克比较了两种阴极保护——外加电流阴极保护 (ICCP) 和牺牲金属。外加电流阴极保护使用小电压来提供电子流，保护其上的金属。牺牲金属——比如帕克叔叔船上的锌——比其下的金属腐蚀得更快，释放出电子流来保护下面的金属。帕克将镁、锌、镍、铜或 AA 电池连接到钢丝绒上。帕克将每一块钢丝绒放入盐水中以模拟海洋，并等待 14 天，看看每一块钢丝绒会生锈多少。
帕克表示，镁是防锈效果最好的金属，因为它是反应性最强的金属。“我还预计 AA 电池样品的效果会比对照样品更好，因为这种方法如今已在现代船舶上使用，”帕克说。“然而，ICCP 与对照非常相似。”
项目之外
Parker 热衷于帮助刚到美国的孩子。“我为国际学生开办了一个体育俱乐部，帮助提供膳食，并帮助开展徒步旅行等活动，帮助他们与当地家庭建立联系，”Parker 说。Parker 热爱体育竞赛和锻炼，喜欢踢足球、打篮球、极限飞盘、匹克球、排球和跑步。Parker 还会弹奏男中音尤克里里琴。这位青少年对材料科学很感兴趣，尤其是腐蚀科学。“我和这个行业的几个人谈过，这个话题还需要更多的研究，”Parker 说。
亚历山大·戈德西
八年级，Punahou 学校檀香山
亚历克斯一直深爱户外活动。作为夏威夷的居民，他对 2023 年附近毛伊岛发生的火灾感到震惊，并听说非本土草类可能在火灾蔓延中发挥了作用。“非本土草类是火灾能够肆虐小镇、蔓延和吞噬的原因，”亚历克斯说。他感到自己有强烈的“kuleana”（夏威夷语中的责任）要为社区服务，对“aina”（夏威夷语中土地）负有责任。因此，亚历克斯决定比较本土和非本土草类的可燃性。
【夏威夷本地草类和非本地草类的可燃性】
项目背景
Alex 从六种植物开始。他测试了本地的毛地黄草 ( Heteropogon contortus )、欧胡岛莎草 ( Carex wahuensis ) 和毛地黄草 ( Fimbristylis cymosa )。他还测试了非本地的毛地黄草 ( Melinis repens )、巫草 ( Panicum capillare ) 和五指草 ( Digitaria eriantha )。
然后，他需要用辐射器（一种可以加热燃烧的容器）点燃它们。亚历克斯用一块电炉和一个锅制作了自己的辐射器。他将每株草（干草和新鲜草）加热到 500 摄氏度以模拟火势，并测量了看到火花所需的时间以及每株草的燃烧时间。他发现，本地草的可燃性比非本地草要低。它们点燃所需的时间比非本地草长 38.6 秒。本地草的燃烧时间也比非本地草平均短 74.1 秒。
项目之外
亚历克斯热爱户外活动。“通过徒步旅行、滑雪和钓鱼等活动，我逐渐爱上了大自然的一切，并有幸体验了大自然的壮丽，”他说。他甚至在加利福尼亚州的约翰·缪尔步道上进行了为期 19 天的背包旅行。亚历克斯还喜欢篮球、电子游戏和电影。他对攻读生物化学很感兴趣。“生物化学是一个开发药物等来帮助治愈人类的领域，”他说。“我认为看看如何将 STEM 应用于拯救生命很有趣。”
达利娅·哈比卜
7 年级，挑战者学校 – 盐湖城犹他州盐湖城
达莉亚喜欢参加农场节，玉米迷宫是她最喜欢的部分。但她确实想知道农场节结束后会发生什么。“我一直在思考是否有办法更好地利用所有废弃的南瓜、苹果和玉米，”她说。“它们是否可以回收利用来帮助我们的地球或解决世界上的饥饿问题。”在阅读有关废物的资料时，她了解到人们正在努力利用人们无法使用的生物质来制造高效的生物燃料。达莉亚决定使用一种酶来帮助将生物质分解成基于酒精的生物燃料。
项目背景
D alia 想要测试纤维素酶，这种酶可以分解植物中的纤维素。她测试了七种不同类型的植物物质：甘蔗、玉米粒、玉米秸秆（玉米植物的茎和叶）、草、锯末、稻草和枫树叶。她将每种生物质磨碎，然后添加纤维素酶和酵母，将糖转化为乙醇。
Dalia 表示，与对照组相比，纤维素酶可以使植物产生的乙醇产量增加一倍甚至四倍。含糖量高的植物（甘蔗、玉米和玉米秸秆）的乙醇产量最高，而草、锯末、稻草和枫树叶的乙醇产量最低。“这个过程成本不高，”她说。“然而，在紧急情况下，随着化石燃料价格上涨和储存的能量耗尽，它可以成为一种替代能源。”
项目之外
达莉亚喜欢跳舞，尤其是嘻哈和爵士舞。“我喜欢学习各种舞蹈，并在房间里练习，经常花几个小时练习舞蹈，”她说。达莉亚还喜欢语言，正在努力精通阿拉伯语和日语。她最近开始学习陶艺，觉得既放松又富有挑战性。达莉亚想成为一名环境工程师。“我渴望应对环境挑战，促进可持续发展，并在全球范围内增进人类福祉，”她说。
阿雅·高里·赫萨维
德克萨斯州奥斯汀Canyon Vista 中学 6 年级
艾莉亚的母亲最近做了手术，“医生给她开了抗生素来预防细菌感染，”她说，“但每次她吃抗生素的时候，都会抱怨胃痛。”艾莉亚开始怀疑为什么抗生素会引起这么多胃部不适。她知道这些药物会破坏肠道微生物群，但它们也会干扰消化吗？艾莉亚决定测试不同的抗生素会如何影响消化酶。
【不同抗生素对消化酶活性的影响】
项目背景
Arya 决定测试四种不同的抗生素——青霉素、红霉素、氨苄青霉素和新霉素。她将每种药物的药片放入装有不同消化酶及其分解营养物质的试管中。Arya 测试了分解淀粉的淀粉酶。为了测试分解脂肪的胆汁盐/胰酶，她使用了橄榄油。她还测试了分解白蛋白等蛋白质的胃蛋白酶——白蛋白存在于鸡蛋等食物中。她用显色消化试验测量了抗生素对这些酶的影响。
Arya 表示，红霉素可使淀粉消化率降低 50%，脂肪消化率降低 5%。青霉素可使淀粉消化率降低 40%。氨苄青霉素可使蛋白质消化率降低 10%，脂肪消化率降低 5%。然而，新霉素不会影响任何消化酶。“根据这些结果，我得出结论，新霉素是四种测试抗生素中最安全的，不会因营养消化率降低而导致胃肠道副作用，”她说。
项目之外
“写作是我最大的爱好，”Arya 说道。“尽管我不想全职写作，但我肯定想出版至少几本书。”她还喜欢手工制作。“周末我总是会拿着一个大亚马逊纸箱和一把剪刀，”她说道。“我做的东西太多了，弄得整个房间都乱七八糟，还惹恼了我妈妈。”有朝一日，Arya 想成为一名航空工程师，建造宇宙飞船，“这样我就可以帮助人们发现新的星球和世界。”
侯晓玲
新泽西州利文斯顿纽瓦克学院 8 年级
2024 年赛默飞世尔科技青少年创新者挑战赛 (JIC) 决赛入围者 - 肖像/头像 Sophia Hou
索菲亚和她的母亲都服用维生素 B12 补充剂。索菲亚解释说，索菲亚的母亲服用维生素 B12 补充剂是因为“她是素食主义者，而植物中不含大量的维生素 B12”。她知道维生素 B12 有助于人体产生血细胞，对大脑发育必不可少。它也是一种抗氧化剂——一种可以阻止活性分子形成的化学物质。抗氧化剂对于帮助身体应对压力很重要。索菲亚开始怀疑维生素 B12 是否也能帮助植物应对压力。
【甲钴胺对高温胁迫下 绿豆发芽的影响】
项目背景
索菲亚想看看甲钴胺（一种活性维生素 B12）是否能改变种子在高温下发芽的速度。她测试了 120 颗绿豆（Vigna radiata）种子。“我小时候，我和祖母一起种植绿豆芽，它们是亚洲的主食，”索菲亚说。她把种子分成六组。三组在 80 度下发芽，三组在 98 度下发芽。三组水中分别添加了 0%、3% 或 8% 的甲钴胺。
一周后，索菲亚发现在 80 度下发芽的种子没有差异。在 98 度下，加入甲钴胺生长的种子比单独在水中生长的种子更长。这可能意味着种子在高温下承受压力，而甲钴胺作为抗氧化剂帮助了它们。
项目之外
索菲亚是一名竞技游泳运动员，曾参加过州锦标赛，每周训练六天。她拥有跆拳道二级黑带。她还喜欢烹饪、绘画。“我最近的一幅画是一只土拨鼠，”她回忆道。她想成为一名生物学家。“我还没有决定要从事生物学的哪个领域，但我对癌症生物学、免疫学和细胞生物学很感兴趣，”她说。“有很多东西有待发现，可以帮助人们。”
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