ISEF国际科学与工程大奖赛历年获奖项目展示-ISEF国际科学与工程大奖赛官网

2024ISEF获奖项目汇总
Regeneron ISEF 2024 最高奖
EAEV019 - ANOMaLY: 减少农业氧化亚氮排放		点击下载👉2024ISEF全学科赛道资料包
PLNT016 - 可持续柑橘黄龙病管理
SOFT044 - 一种新颖的二阶锥规划算法
PHYS057 - 一种新的粲夸克强子化模型
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Regeneron ISEF 2024 大奖
ENBM054 - NitinArm：无动力假肢		点击下载👉2024ISEF全学科赛道资料包
BMED076 - Rs887829 负责降低 UGT1A1 表达完全
BMED033 - 破骨细胞控制抑制骨肉瘤扩散
ANIM014T - 内源性大麻素：果蝇生理学、自噬
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Regeneron ISEF 2024 特别奖
TMED007 - 便捷的癌症和心脏病治疗方式		点击下载👉2024ISEF全学科赛道资料包
SOFT024 - 设计基于 WebAssembly 的 Shell
BCHM018 - 母乳：天然的 COVID-19 疫苗
ENBM062 - 脑瘫矫形手支架
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Regeneron ISEF 2024 最高奖

EAEV019 - ANOMaLY: 减少农业氧化亚氮排放

氧化亚氮（N2O）是温室效应的最大贡献者之一（其温室效应比二氧化碳高265倍），也是21世纪臭氧层破坏的最大贡献者。超过70%的人为氧化亚氮排放直接来自农业和土壤管理，先前的研究观察到这些排放在局部时空事件中激增。本项目开发的系统能够实时识别全球范围内的这些事件，从而可以迅速采取有效的减排措施，快速减少总排放量。项目中，作者通过对北卡罗来纳州7个农场进行为期6个月的土壤化学数据采集（1200多个样本），将这些数据与Sentinel-2卫星影像相关联，提取出能近似土壤NH4+和NO3-的新光谱指数（R2 = 0.53, 0.46）。利用这些新光谱指数，结合现有数据和土壤化学数据，构建了一个整合微生物氮动力学偏微分方程的神经网络模型。该模型解释了区域氧化亚氮排放约80%的变异性，远优于之前仅能解释约30%变异性的模型。由于该系统使用实时卫星和气候数据，可以在地球上几乎任何地点和时间实现区域尺度的排放热点定位。在最大容量下，该系统能够定位超过55%的人为氧化亚氮排放，并且可以推广到各种农业气体污染物。此外，本项目还开发了世界上第一个时空相关的土壤硝酸盐和铵数据集。

PLNT016 - 可持续柑橘黄龙病管理

黄龙病 (HLB)，又称柑橘黄龙病 (Candidatus Liberibacter asiaticus)，是全球最具破坏性的柑橘病，并持续威胁着许多地区柑橘产业的可持续性。目前，除了紧急标签第 18 部分规定的抗生素土霉素和硫酸链霉素外，没有其他农药可以治疗这种疾病。咖喱叶树 (Murraya koenigii) 对亚洲柑橘木虱 (Diaphorina citri) 具有很强的吸引力，而亚洲柑橘木虱是柑橘黄龙病的细菌病原体，但它并不是黄龙病的携带者。在本实验中，咖喱叶提取物用于通过树干注射治疗黄龙病感染树木，以土霉素作为标准对照。实验结束时进行了 PCR，发现经咖喱叶提取物处理过的树木和土霉素处理的树木的 Ct 值增加（10%）。通过快速扫描 CS45 获得的 NDVI 指数也显示增加了 15% 以上，通过冠层物理测量得到证实，其中植物高度宽度增加了 7.5% 和 12%。使用 LI-600 测量气孔导度和叶绿素含量。与 UTC 和 OTC 相比，咖喱叶提取物中的叶绿素含量分别高 23% 和 4%，气孔导度没有差异。在咖喱叶提取物的不同比率（2% 至 5%）中，发现 4% 的比率最佳。根据这些研究结果，咖喱叶提取物可以成为柑橘黄龙病管理的有效和可持续的解决方案，从而促进全球柑橘产业的发展。该实验将在下个季节重复进行，以验证当前的发现，并将在接下来的两年内观察实验植物作为该实验的延续。

SOFT044 - 一种新颖的二阶锥规划算法

数学优化中的一类基本问题是二阶锥规划 (SOCP)，它提供了一个通用框架来解决广泛领域的问题。\n\n虽然凸优化的其他领域已经取得了进展，但由于高维约束的计算成本，SOCP 在过去 30 年中的发展一直很缓慢。为了应对这一挑战，这项研究做出了几项关键创新。首先，由于在每次迭代中计算算法中的精确搜索方向非常耗费计算资源，我开发了一种技术来保持近似解，从而大大降低了计算成本。然而，即使使用这种近似技术，高维约束仍然会造成瓶颈。为了克服这个问题，我设计了一种新颖的方法来分解大约束，将问题转换为另一个具有较小约束的 SOCP。这个关键步骤大大加快了运行速度，也是一个重要的理论贡献，可以应用于其他形式的圆锥规划。我设计的新算法将近似技术与锥分裂相结合，其性能比之前最好的 SOCP 算法高出约束数量的平方根。我从数学上证明了新方法在矩阵乘法时间内收敛到最优解，达到了理论极限。\n\n我开发并测试了一个软件 SOCP 求解器，为研究人员在理论进步的基础上再接再厉奠定了基础。新的解决方案为机器学习、运筹学、能源、交通和金融等各个领域的显著性能提升奠定了基础。

PHYS057 - 一种新的粲夸克强子化模型

强子化，即夸克结合成强子的过程，是理解宇宙形成的关键，但目前的理论不足以解释这一过程。这项研究调查了最近观察到的粲夸克强子化异常——在质子对撞中重子介子比升高，挑战了强子化普遍性的假设。//从可能产生尚未观察到的激发态导致异常的假设出发，将 294 个尚未观察到的激发态纳入统计强子化模型计算。为了解释强子化的完整实验图景，该模型经历了两次重大改进：引入了团簇体积方案和快速度依赖方案。//该模型准确地预测了粲重子产量的增加，接近观测到的重子介子比，误差不超过 4%。团簇体积依赖方案扩展了模型的相关性，使其适用于所有能级的 pp、ep 和 e+e- 碰撞；快速度依赖方案精确描述了中快速度（|y|<0.5）和前向快速度（2<y<4.5）范围内的魅力强子产生。//这项研究表明，测量到的重子与介子比率的增加可以归因于尚未观察到的激发态的存在。非通用强子化的研究还揭示了对撞机中产生的夸克胶子等离子体 (QGP) 是否与宇宙开始时的 QGP 相同的问题。

ANIM047 - 废水与海龟体内 FP 的关系

过去十年来，夏威夷的绿海龟 (Chelonia mydas) 种群因肿瘤疾病纤维乳头状瘤病 (FP) 而备受关注，这种疾病是绿海龟死亡的首要原因。FP 会形成内部或外部肿瘤，抑制觅食、运动和器官功能。先前的研究表明，FP 的一个可能原因是藻类（其主要食物来源）中氨基酸精氨酸的含量升高。精氨酸含量升高与废水中高浓度的氮有关，如 δ15N 所示。在这项研究中，分析了卡内奥赫湾绿海龟种群及其两种主要食物来源 Gracilaria salicornia 和 Codium edule 中的 FP。我们研究的目的是评估沿海地区的δ15N水平、入侵率、绿海龟饮食中藻类所指示的精氨酸水平和夏威夷卡内奥赫湾的FP率之间是否存在关系。为此，我们调查了海龟以估计FP的分布，并收集了藻类以分析精氨酸和入侵藻类。我们发现绿海龟（n=35/87 有FP）的FP水平、饲养的入侵藻类（范围=37-98%）δ15N指示的藻类精氨酸水平（n=60，范围=0.20-0.38% 质量）（*p<0.05，t检验）之间存在显著关系（*p<0.05，Fisher精确检验）。这表明废水、入侵藻类、精氨酸和濒危绿海龟体内的 FP 之间存在联系，从而进一步了解卡内奥赫湾 FP 和污染的成因和分布。

TMED005 - 痴呆症多感官混合现实疗法

每 3 秒钟，世界上就会有一人患上痴呆症。到 2050 年，全球将有超过 1.39 亿人患有痴呆症。由于痴呆症的性质，早期干预对于预防和治疗痴呆症至关重要。VR 干预可以成为患者管理的有前途的工具，特别是对于痴呆症患者。这项研究旨在开发和设计一种名为 MMRTD：痴呆症多感官混合现实疗法的混合现实 (MR) 康复应用程序，让患有痴呆症的老年人通过沉浸式虚拟环境和定制内容同时练习身体和认知技能，通过三种感知：嗅觉、听觉和视觉，采用三种治疗方法。对六位患有痴呆症的老人进行了为期八周的评估研究，以检验以下假设：1）使用 MR 对患有痴呆症的老年人的好处和积极影响大于面对面治疗；2）MR 康复可以以迭代方式使老年治疗受益。结果表明，参与者在使用 MMRTD 作为治疗工具时，在学习过程和记忆步骤方面改善了相对认知功能，并获得了更高水平的兴趣、情感、舒适度和动机。这项研究表明，与面对面治疗相比，MMRTD 将能够提高用户大脑和肢体参与的质量，并实现合格的康复结果。通过强化特定感知的迭代康复将为用户提供更严格的认知和身体活动，并实现超合格的痴呆症康复。此外，MMRTD 将增加老年痴呆症患者参与康复活动的意愿。

BMED033 - 破骨细胞控制抑制骨肉瘤扩散

骨肉瘤 (OS) 是一种原发性骨肿瘤，由促进转移的骨重塑途径失衡引起。在健康骨骼中，微环境支持平衡的重塑，这对于在生长过程中承受身体的机械负荷至关重要。骨重塑有两个竞争细胞：破骨细胞 (OC) 促进骨骼降解，成骨细胞 (OB) 促进骨骼合成。该过程由 OC 上的 RANK 受体及其来自 OB 的配体 RANKL 协调，以启动前 OC 到 OC 的分化。由 OB 产生的骨保护素 (OPG) 充当诱饵受体，调节骨吸收。在 OS 中，过量的 RANK/RANKL 相互作用会诱导破骨细胞生成，从而削弱骨骼完整性并导致肿瘤转移。为了在体外模拟这种状态，U2OS（一种产生 RANK/RANKL 的 OS 细胞系）用 TNFa（一种诱导破骨细胞生成的细胞因子）处理。向经 TNFa 处理的 U2OS 施用外源性 OPG（1-1000 ng/mL）表明破骨细胞生成减少，从而抑制了这种转移途径。ELISA 显示经 OPG 处理后 RANK/RANKL 产生显著减少，支持 RANK/RANKL 相互作用减少。基因表达分析显示，负责 OB 产生和骨完整性的基因上调，以及 WNT6 和 NPC2（表明转移的基因）下调，所有这些都是由于 OPG 处理。通过 TRAP（抗酒石酸酸性磷酸酶）染色显示转移能力下降，显示具有 OC 表型的细胞显著减少，侵袭试验表明经 OPG 处理的细胞迁移减少，ELISA 显示 MMP9 表达显著减少。根据这项研究，OPG 可能与目前的治疗方法一起在控制骨转移和骨退化方面具有治疗潜力。

MATS014 - 有机电化学晶体管中的掺杂

有机电化学晶体管 (OECT) 是迄今为止最强大的晶体管之一，它结合了离子和电子传导。这种独特的机制使这些设备成为人体植入式生物电子学的理想选择，特别是作为生物传感器、深部脑刺激器、起搏器和人造肌肉，从而减少对侵入性医疗程序的依赖。然而，适用于生物电子应用的电子传导 (n 型) OECT 历来存在不稳定和性能低下的问题，限制了它们的实际应用。化学掺杂是一种新颖且经济有效的增强器件性能的方法，成功地确定了一种新的掺杂剂和独特的掺杂技术。各种有机盐因其强路易斯碱组成而被探索为潜在的掺杂剂。电流-电压测试和电化学阻抗谱表征并比较了未掺杂和盐掺杂的 n 型 OECT 性能。掺杂四丁基氯化铵 (Bu4NCl) 盐可改善器件的跨导、迁移率、信噪比、阈值信号和电容。Bu4NCl 掺杂剂在指标方面的统计显著改善使放大率提高了 97%，开关速度和电荷存储提高了 77%。掺杂 Bu4NCl 的优化浓度为 20 摩尔百分比，溶剂混合物为氯苯和氯仿，比例为 1:5，使盐能够促进聚合物网络中的电荷转移和离域。Bu4NCl 被确定为一种用于制造高性能 n 型 OECT 的新型掺杂剂。这项研究首次探索了掺杂剂、掺杂浓度和溶剂设计的结合，推动了化学掺杂在定制 OECT 方面的应用，使其具有商业可行性。

ENEV016 - 泥炭地恢复遥感

泥炭地生态系统是地球上最大的天然陆地碳储存地。健康的泥炭地充当碳汇，将大气中的二氧化碳捕获为土壤有机物。然而，排水和泥炭开采等人为干扰已将许多泥炭地变成了碳源。需要全世界共同努力来恢复和修复泥炭地，以应对减少温室气体排放和应对生物多样性丧失的挑战。为了使这些努力取得成功，需要一种具有成本效益的大规模方法来监测、报告和验证泥炭地的恢复情况。本研究使用一种新颖的开源多传感器遥感（多光谱、合成孔径雷达 (SAR) 和干涉 SAR）方法来监测爱尔兰泥炭地恢复的有效性。研究检查了六个试点地点的多传感器观测结果，这些地点从严重退化的地点到基本完好的地点不等。通过监督分类，多光谱分析确定了恢复和退化地点的植被和水分含量变化，但受到云层覆盖的限制。SAR 分析成功显示了土壤水分和涝渍的变化，这是成功恢复的关键因素。InSAR 可检测到的地表运动为恢复效果提供了宝贵的见解，例如降低沉降率和正地面高程变化。研究表明，多传感器遥感有可能在当地、区域和全球范围内为泥炭地恢复和修复提供经济有效的监测。这种方法通过提供对恢复进展和碳封存的全面见解，支持各国履行《巴黎协定》和 2030 年气候与能源框架的承诺。

EAEV062T - 利用超声波进行微塑料过滤

微塑料已成为一个普遍存在的全球环境问题，目前海洋中估计有 75 万亿个微塑料。微塑料对野生动物构成危险，并对人类造成严重的健康问题。现有的微塑料去除方法因成本高或潜在有害化学物质而受到限制；因此，需要一种非侵入性、节能且具有成本效益的解决方案。在这个项目中，构建了一种新型超声波过滤系统，压电换能器连接到钢管上，并与硅管连接。当悬浮的微塑料被推过该装置时，超声波的声辐射力会阻止颗粒通过，从而产生不含微塑料的水。聚乙烯的单级过滤效率在 10、20 和 40 毫升/分钟的水流速下达到 84-94%；两级过滤效率在相同流速下达到 94-96%。使用聚氨酯和聚苯乙烯进行交叉比较，结果相似，效率超过 95%。此外，与直径更大的单级系统相比，发现较小的管道过滤效果更好。该设备还测试了其处理用涤纶织物冲洗的洗衣水和高浓度或大量水中的微塑料积聚的能力，并成功过滤。创建了 CFD 模拟来模拟实际应用并验证结果。虽然未来需要改进，但这种新的声学过滤方法是首创的，可通过超声波技术安全有效地过滤微塑料。凭借其拦截源污染和清洁受污染水的强大能力，其应用可以扩展到去除其他颗粒污染物。

MATH002 - 对称性、不动点和量子台球

数学台球系统由平面或多维表面和移动物体组成，移动物体的轨迹由其初始位置和速度矢量以及一些反射定律定义。这些系统的研究已在量子计算和物理建模中得到应用。本研究的目的是研究正 n 边形台球系统的一种新型反射定律，其中从其中一条边开始并以任何给定斜率移动的物体以规定的恒定角度从有限反射向内部反射。我构建了此类物体位置的映射，该映射是正三角形和正方形的起点和斜率的函数。在这两种情况下，我都证明了物体的路径分别在正方形或三角形台球上收敛到稳定的内部矩形或三角形，适用于所有初始条件和所有斜率。我还为物体的轨迹构建了一个数值模型，并确定了计算物体收敛到稳定路径的速度的方程。我进行了相关的模拟，并在所提出的模型背景下讨论了结果数据。这些系统的分析可用于开发在有争议的环境中执行运送任务的地面机器人的独立控制机制，或开发更简单、更小的微芯片，以量子台球的形式与相关电子一起运行，而无需完全弹性碰撞，从而提供一种创新的信息编码方式。

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Regeneron ISEF 2024 大奖

ENBM054 - NitinArm：无动力假肢

全球约有 5000 万人依靠技术来更换缺失的肢体，其中 80% 的人无法负担当前的解决方案，只能使用昂贵、无法移动且笨重的假肢。其中最常见的是经桡动脉假肢；这些设备旨在捕捉手臂的细微运动，但却完全失败，仅能实现 27 个自由度 (DoF) 中的 9 个，价格高达 100,000 美元以上。无法充分模仿手和手腕是所用电机的成本、尺寸和重量的产物。因此，截肢者的生活质量受到严重影响。这项研究设计了一种新型经桡动脉假肢，利用镍钛合金（一种低成本、轻质、形状记忆合金）代替电机。镍钛合金具有三个阶段——孪生马氏体（训练）、非孪生马氏体（变形）和奥氏体（转变）——形状会随温度而改变。为了重现 19 种自由度，镍钛合金丝被训练成两组：一组模仿肌肉收缩，另一组模仿肌肉扩张。通过连接丝的末端，其中一根始终处于非孪生阶段，通过电流通过丝，它会变热并转变为孪生阶段，同时使配对丝变形，模仿肌肉的扩张和收缩。然后将这些丝镶嵌在定制的 3D 打印 PLA 碳纤维假肢中，从而可以复制手指的外展和内收以及指骨的独立驱动，这是商业假肢无法实现的壮举。与目前的解决方案相比，这种设计的自由度增加了 110%，成本仅为 3000 美元，仅为行业平均水平的 10%。 NitinArm 灵活性更高、成本更低、重量更轻，改善了数百万截肢者的生活，因为它改进了桡骨假肢，并证明了镍钛合金适用于所有假肢。

BMED076 - Rs887829 负责降低 UGT1A1 表达完全

UGT1A1 是一种参与代谢伊立替康（一种 DNA 拓扑异构酶 I 类抑制剂化疗药物）的酶。UGT1A1 启动子内的多态性会降低 UGT1A1 mRNA 表达，使个体易受药物毒性增强的影响。伊立替康毒性使得识别导致 mRNA 表达降低的多态性，然后将多态性用作个性化治疗的生物标志物变得至关重要。先前的研究仅研究了白种人，并确定 UGT1A1 基因启动子的 TATA 盒内的多态性是导致 mRNA 表达降低的原因。虽然这种多态性已用于指导伊立替康处方，但它与其他人群中 mRNA 表达降低有松散的联系。根据 TATA 盒多态性的存在，比较了白种人和非洲裔美国人对伊立替康的药物反应率，结果显示非洲裔美国人的反应率较低。因此，本研究将其范围扩大到涵盖非洲裔美国人和白种人群体。本研究调查了附近的单核苷酸多态性 (SNP) rs887829，该多态性位于 TATA 盒多态性的 300 个碱基对以内，并且与 TATA 盒多态性存在连锁不平衡。从两组采集肝脏样本，随后提取 gDNA 和 mRNA。记录了所有样本的 UGT1A1 mRNA 表达。扩增 UGT1A1 基因启动子区，并进行基因组分析以确定所有样本中两种多态性的基因型。使用线性回归模型来确定其中一种多态性的存在与 UGT1A1 mRNA 表达降低之间的关联。 rs887829 SNP 可以更准确地预测两组中 UGT1A1 mRNA 表达的降低。

BMED033 - 破骨细胞控制抑制骨肉瘤扩散

ANIM014T - 内源性大麻素：果蝇生理学、自噬

内源性大麻素系统 (ECS) 和自噬都是细胞内必不可少的生理机制。然而，有限的研究探讨了内源性大麻素（特别是 2-AG）与自噬之间的关系。我们选择研究果蝇作为研究对象，从生物体的角度研究内源性大麻素的影响。我们相信果蝇可以作为初始研究平台，为研究外源性和内源性大麻素提供更便捷的方法。在这项研究中，我们通过调节合成和降解酶 MAGL 和 DAGL 的表达来控制果蝇体内 2-AG 的水平。当 MAGL 受到抑制时，果蝇的寿命、抗饥饿能力和自噬增加，而 DAGL 受到抑制或过度表达时，这些功能受到抑制。通过添加自噬抑制剂，我们确认了自噬与生理功能之间的关系。这些发现可能有利于提高大麻素药物的应用效率，并减轻对神经系统和肝功能的副作用。

MATH005 - 无限维李代数和结不变量

我们探索结。如果我们允许自相交，我们会得到奇异结。为了区分不同的结，使用不变函数。如果从一组结到环的函数扩展到奇异结（通过 Vassiliev-Skein 关系）时，它在具有给定数量的自相交的所有结上消失，则该函数称为 Vassiliev 不变量。它们之所以有趣，是因为推测有一种使用它们来近似任何结不变量的方法。所有 Vassiliev 不变量都满足某种拓扑性质（4T 关系），因此，我们考虑所有满足该性质的不变量 - 我们将它们称为框架权重系统。有限维李代数有一个强大的不变量构造，但事实证明它不足以覆盖所有可能的框架权重系统。本文的主要目标是确定无限维李代数的构造扩展是否足够。我们更详细地研究了 Loop 代数（无限维李代数的一个家族）的构造，证明它产生了框架权重系统，它们是可乘的，并且它们的图像与相应 Loop 代数（构造所在的空间）的通用包络代数的扩展的所有元素交换。我们还更详细地介绍了基于李代数 sl2 构建的 Loop 代数的权重系统，给出了一个论证，这强烈表明它与 sl2 的权重系统不同，并提出了几个弦图恒等式，它们提供了方便的连接。

ROBO027T - 应急设备无人机运送系统

每年，全球有 600 万人死于心脏骤停，仅美国就有 436,000 名患者。这个问题变得更加严重，因为在许多县，超过 50% 的人生活在救护车荒漠中，当建议在 5 分钟内使用 AED 时，救护车需要超过 25 分钟才能到达。这是一个严重的问题，因为它会导致不必要的死亡。为了解决这个问题，该团队旨在设计一种按需自主 VTOL（垂直起降）混合无人机（能够水平和垂直飞行）运送系统，能够在应用程序请求时将电池供电的 AED 运送到 GPS 位置。为了进行这种设计，团队将项目分为三个子系统：控制子系统、通信子系统和结构子系统。控制子系统由无人机的自动驾驶仪和电机控制组成。通信子系统包括用户与应用程序、基站（通过 http 协议）和无人机（通过 LoRa（低距离无线电））之间的通信。结构子系统包括无人机的空气动力学设计。该系统能够在 5 分钟内将有效载荷准确地运送到半径 10 英里的范围内。该系统应该比其他解决方案（例如增加 EMT 密度）便宜得多。在设计了该系统的原型后，团队得出结论，该设计是有效的。

EGSD016 - 螺旋风力涡轮机的气动优化

随着能源价格的上涨，德国的用电量正在减少。这需要关闭路灯，因为路灯的运行对社区来说成本低。萨沃纽斯转子的效率将得到提高，以实现能源系统的自主供电。\n\n两台 3D 打印机经过改装，制造了 24 个原型，转子叶片的重叠、曲率、壁厚、尺寸、材料和附加端板都发生了改变。检查了涡轮机的功率系数，以确定不同转速下的功率输出，这些转速是在自建风洞中以三种流入速度确定的。光学分析使用雾气可视化涡流，以检查不同端板尺寸的影响。使用自制的试验台进行叶片偏转测量，评估施加力下的转子叶片刚度。\n\n端板尺寸为圆形端板的 40% 至 75%，可增强有效轮廓阻力并减少湍流。扭转刚度是通过转子叶片的中央复合结构和细微凸起实现的，凸起的深度和数量可根据当时的风速进行调整。利用 1.9：1 的高度与直径比和上述修改，1 毫米的壁厚足以最大限度地减少叶片偏转，这是仅使用纤维复合材料无法实现的。优化的涡轮机功率系数为 0.17，比最初的涡轮机效率高 5%。\n \n 实证研究表明，当由廉价的热塑性塑料制成时，螺旋转子几何形状的效率增强参数。环保发电使各种能源系统在低风速下实现分散运行，与传统转子相比具有显著优势。

CBIO054 - 三阴性乳腺癌 TME 的计算机时空建模

乳腺癌每年影响 230 万女性，三阴性乳腺癌 (TNBC) 的五年生存率为 12%。目前的免疫疗法仅对 25% 的患者有效，因为肿瘤微环境 (TME) 的多种免疫抑制机制尚不明确。T-STM 是首个基于时空建模的多代理 TNBC TME 模拟。T-STM 使用一种新颖的混合方法和离散模型来表征肿瘤、基质和免疫相互作用；由肿瘤和患者特定的代谢特征、来自 TCGA（癌症基因组图谱）数据的信号和免疫浸润模式以及用于建模营养扩散和 TME 中的多种免疫抑制途径的偏微分方程驱动。通过 TCGA 组织病理学免疫表型匹配和细胞分数直方图成功验证了模拟结果，结果显示 r 值在 0.785 和 0.91 之间，具有高度相关性。模拟在 100 个 TNBC 数据集上运行了 150 天，对免疫调节药物的最佳组合进行测试，结果表明，TLR9 激动剂与 P13k、mTOR 和 IDO 抑制剂与 LAG3 和 PDL1 阻断的组合具有最佳的肿瘤缩小效果，40 个数据集中的肿瘤细胞平均减少了 80%。T-STM 在低基质和高肿瘤浸润淋巴细胞情景下显示出最佳的免疫功效，这通过 Kaplan-Meier 生存曲线得到验证（风险比 0.308，P = 0.0219），基质通透性增强可提高免疫反应。T-STM 可以通过根据模拟缓解率识别联合抑制剂疗法来缩短药物开发周期，从而创建定制疗法，以降低成本增强癌症免疫疗法。

CHEM017T - HidroQapa

由于大量消费虾、龙虾、螃蟹等海鲜，全球产生了数吨甲壳类废弃物。这些废弃物是可再生资源的宝库，如几丁质及其衍生物（如壳聚糖）、蛋白质、碳酸钙和色素。这些被视为鱼类产业“废弃物”的原材料可以重新利用，以制造可持续和可生物降解的产品，同时减少资源浪费和环境污染。\n虾壳几丁质是通过脱蛋白质、脱矿和脱色素工艺获得的。壳聚糖是通过几丁质脱乙酰化获得的。这是一种天然、低毒的聚合物，可以制成薄膜、纤维、薄片和凝胶。它还具有重要的生物、生理和药理特性。此外，这种生物聚合物的功能基团使其可以用作疏水剂。\n因此，该项目旨在合成一种防水生物塑料，以生物膜的形式用于织物和其他材料，由从虾壳废料中提取的壳聚糖制成，属于水产养殖和鱼类产业主题。该产品必须在制造过程中融入织物中，并且这些织物必须是一次性的，例如医用纱布，因为聚合物具有很高的生物降解性。

EAEV059 - 研究杀虫剂和帕金森病

在本研究中，我使用数据科学原理分析国际上杀虫剂的使用和帕金森病 (PD) 发病率。使用 DBSCAN、k 均值法和世界卫生组织报告的人类发展指数对各国进行聚类。使用 Bridges2 超级计算机和统计分析软件 PRISM，在 Google CoLab 和 Jupyter Labs 中用 Python 编写数据框编译、聚类方法、统计测试和图表。进一步研究了高度发达国家集群中每面积农田的杀虫剂使用量与帕金森病年龄标准化发病率之间的关系。使用国家特定报告检查了高度发达国家的农业政策和杀虫剂法规。为 PD 发病率高的国家概述了可行的法规，以保护人口免受有毒农用化学品的侵害。重点关注草甘膦，这是一种广泛用于农业的杀虫剂，数百万磅的草甘膦用于美国主要作物。我发现，帕金森病的发病率与各国为使用草甘膦的美国散装谷物支付的费用之间存在着密切的直接关系。人们对帕金森病的风险有了新的认识。为了验证这项研究的结果，我们调查了以前的数据。结果表明，草甘膦有相当大的潜力加剧神经炎症，这是帕金森病患者普遍经历的症状。草甘膦诱导的细胞因子释放和蛋白质淀粉样蛋白β水平的升高可能会使处于过度活跃神经毒性状态的免疫调节神经细胞（称为小胶质细胞）极化，并对神经细胞造成内部压力。这项回顾性分析启发了未来对农药法规进行直接和可操作的改变。

MATS014 - 有机电化学晶体管中的掺杂

MATH025 - 七和弦变换群

七和弦在音乐中被广泛使用。不同的七和弦之间有什么关系？这些关系可以用数学来解释吗？本研究利用欧拉原理将七和弦之间的变换分为六种类型，即U_1、V_1、W_1、U_2、V_2和W_2。这些变换都是矩阵形式。本研究构造由这些变换生成的群，并将该群命名为广义变换群（GT）。本研究认为GT中的每个元素都可以用统一的形式表示。本研究还确定GT同构于Z_2的半直积和三个Z_12的内部直积，其中心同构于三个2阶循环群的内部直积。利用该群，我们可以从广义的4和弦角度研究属七和弦与半减七和弦之间的变换。该组还为音乐学家提供了关于七和弦及其关系的理论指导，并为音乐家和自动伴奏提供了七和弦用法的清晰图景。这项研究鼓励对七和弦以外的和弦变换进行进一步研究，旨在拓宽 GT 组原理的适用性。

EAEV004 - ForestCast 在美国开展的碎片化预防

2021 年，美国损失了 422 万英亩森林，相当于 7.75 亿吨二氧化碳排放量。遥感是监测森林砍伐的最常用模型。然而，典型的遥感模型只能达到 66% 的准确率，导致制定有关森林砍伐，特别是森林碎片化的政策的数据不足。碎片化迫切需要适当的管理，这需要比遥感更高的准确度、更高的精度和更快的计算速度。这项研究旨在开发 ForestCast——第一个通过以下方式增强森林碎片化数据可视化的计算程序：i) 遮盖云层以创建训练数据集，ii) 创新一种可视化碎片化的新型卷积神经网络 (CNN)，以及 iii) 将结果与遥感进行比较。使用 Google Earth Engine (GEE)，卫星图像中的云层被遮盖，可视化效果提高了 92% (p<0.001)。 CNN 是使用从 GEE 获得的数据集开发和训练以识别碎片化的，准确率达到 90.5%。ForestCast 说明了美国城市化与碎片化之间的密切关系（p<0.005）。在案例研究比较中发现，ForestCast 的准确率比普通遥感模型高 24.5%，速度几乎快 7 倍。总之，ForestCast 是一种比遥感更准确、更高效的新模型。这些发现使 ForestCast 能够在未来的调查中针对其他常见的森林砍伐压力（如野火和农业扩张）进行改进。因此，ForestCast 有可能成为国家森林监测计划的重要基石。

SOFT055T - 通过深度学习进行 3D 心血管重建

准确、高效地分析心脏图像对于诊断和治疗心血管疾病至关重要，心血管疾病是包括越南在内的全球主要死亡原因。然而，这项任务耗时、耗力且容易出错。由于解剖复杂性和心血管病理多样，2D 数据使分析变得复杂。为了应对这些挑战，我们开发了一种针对患者心脏数据的综合软件解决方案。我们从当地医院收集了一个复杂的越南心脏分割和心血管疾病数据集 (VHSCDD)，以确保实际应用。我们的研究探索了先进的神经网络架构，包括基于 CNN 和基于 Transformer 的模型，以及不同的新注意力机制和损失函数。具体来说，通过重新设计 TransUNet 的特征提取层、注意力机制和上采样方法，我们引入了 RotCAtt-TransUNet++，其性能优于目前最先进的心脏分割模型。此外，我们优化了 Marching Cubes 算法，以便快速、详细地对心脏结构进行 3D 重建。为了提高诊断能力，我们开发了创新算法，将多变量微积分和 3D Fenwick 树相结合，用于定量重建后分析。此外，我们的软件具有虚拟现实模拟功能，使专家能够与 3D 心脏模型进行多维交互、进行测量并模拟手术场景。这个综合系统可自动进行分割和疾病预测，同时方便在云数据库中存储数据。专家评估证实，我们的软件显著改善了心脏缺陷观察，使其在医疗实践和解剖学教育中具有很高的适用性。

SOFT033 - 使用机器学习检测勒索软件

勒索软件攻击会导致数据无法使用，并要求支付赎金以恢复数据完整性。这些攻击每年在个人、工业和国家安全层面造成数十亿美元的损失。由于勒索软件对当今的计算机系统构成了巨大威胁，因此该领域的研究非常活跃。然而，人们更强调预防，而不是事件响应。预防系统虽然有效，但只要有足够的时间，攻击者就可以绕过它。事件响应旨在通过缓解攻击来解决这个问题。在处理勒索软件时，密钥提取可用于事件响应。通过拦截勒索软件的加密密钥，无需支付赎金即可恢复数据。由于密钥提取的时间敏感性，我们构建了随机森林模型来测试将机器学习与该技术结合使用的可行性。为此，我们通过测试二进制文件和输出行为数据开发了一个由 30,000 个样本组成的大型数据集。随后，我们构建了 100 个具有不同随机状态的随机森林模型，以测试随机森林的有效性。这些模型表明，机器学习可以融入到系统中，检测率比之前的概念验证更高（99.3% 对 66.7%）。此外，随机森林的效率可用于密钥提取。未来，这种集成可以进一步发展，变得更加优化，并具有更好的击败高级勒索软件的能力。此外，可以使用不同的模型来分析它们在勒索软件检测方面优于随机森林的优势。

CHEM052 - “永久化学品”的原子模拟

全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 是一类高度氟化的碳氢化合物，由于其毒性以及增加生殖障碍、内分泌紊乱和癌症风险的可能性，引起了全球污染和污染问题。此类物质对环境中降解的抵抗力为它们赢得了“永久化学品”的称号。两种最丰富的 PFAS 物种，全氟辛酸 (PFOA) 和全氟辛烷磺酸 (PFOS)，每年与数万人死亡有关。尽管最近进行了广泛的努力，但对 PFOA 和 PFOS 的分子级行为的分析仍然难以捉摸。\n\n为了解决这一知识空白，我们通过第一原理电子结构和分子力学计算对 PFOA 和 PFOS 的性质进行了广泛的研究。利用经典分子动力学 (MD) 和量子密度泛函理论 (DFT) 技术，我们在模拟细胞中对 PFOA 和 PFOS 分子进行结构优化；这些结构用于表征分子系统随时间的变化。我们还研究了 PFOA 和 PFOS 在较大系统中的化学性质，例如在水环境中的扩散和疏水性。我们的 MD 和 DFT 结果与实验结果非常吻合，并首次为 PFAS 物质提供了详细的原子级研究。此外，我们发现了含钴维生素 B12 复合物催化的原子级 PFOA 还原脱氟，进一步加深了我们对 PFOA 降解机制的理解。因此，我们的研究为减轻 PFAS 物质的毒性作用提供了分子级基础，可能为美国境内 2 亿暴露者提供保护，甚至为全球更多人提供保护。

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Regeneron ISEF 2024 特别奖

TMED007 - 便捷的癌症和心脏病治疗方式

每年，心血管疾病 (CVD) 和癌症分别导致全球约 17,900,000 和 10,000,000 人死亡。心血管疾病和癌症都涉及侵入性、昂贵且危险的诊断和治疗形式，这可能会阻止患者寻求医疗保健。该项目专注于药物输送和使用良性/廉价材料来创建优先考虑可及性和患者安全的医疗保健选择。通过大量的反复试验，研究人员开发了一种使用水凝胶、吲哚菁绿 (ICG) 创建微球的方案，该方案具有本研究独有的诊断和治疗应用。实验表明，微球可以容纳脂质体以将药物输送到局部部位（肿瘤），同时减少毒副作用并减少所需剂量的频率。自制成像系统用于通过离体肾组织检测微球的荧光，表明微球可通过荧光成像用于诊断。对胆固醇水平上调的果蝇进行的体内测试表明，水凝胶显著改善了对心脏压力的反应，表明水凝胶可用作冠状动脉疾病患者的非侵入性治疗。体外测试表明，使用水凝胶和成像系统回收部件的光热疗法对 MFM223 乳腺癌细胞具有杀瘤作用，例如降低细胞活力和菌落形成。这些发现表明，研究人员制造的水凝胶/球体具有诊断和治疗世界上两种最致命疾病的能力，使用廉价且无害的材料，与当前的医疗保健方案不同，优先考虑可及性和安全性。

SOFT024 - 设计基于 WebAssembly 的 Shell

该项目创建了一个运行 WebAssembly 的 POSIX 样式的 Shell，允许开发人员共享程序，而不会出现安全问题、平台不兼容、确定性问题或复杂的构建过程，同时还创新了一种与此类程序交互的全新方式。该项目的核心是虚拟机，它可以执行编译为 WebAssembly 的程序，WebAssembly 是一种二进制指令格式，所有主要编译器都可以使用它。Shell 提供标准功能，例如管道、重定向和可编程性，但更重要的是，它充当虚拟机的环境。由于 Shell 可以配置机器，因此 Shell 的用户可以更大程度地控制其系统上程序的执行。为了消除不可复制的二进制文件破坏重要数据的风险，程序默认与文件系统隔离，除非程序员在每个目录中允许。此外，可以将特定函数从程序动态加载到 Shell 环境中，作为常规 Shell 命令。这样就可以从命令行测试、基准测试或临时使用某些功能。该 shell 还配备了内存文件系统，其中可执行文件的副作用可以通过磁盘上不存在的文件系统逐步查看和应用。总之，该项目为开发人员提供了一种在确定性、可重复的环境中运行程序的新方法，在这种环境中，他们可以完全控制程序的副作用。

BCHM018 - 母乳：天然的 COVID-19 疫苗

母乳满足婴儿的所有需求。通过提供必需的营养素和生物活性因子，母乳促进婴儿的生长发育。母乳还通过促进健康的肠道菌群和提供炎症调节剂来补充婴儿未成熟的免疫系统，从而保护婴儿。乳腺小叶选择血液蛋白来丰富它们作为顶泌分泌物（乳汁）释放的细胞质片段。在这项研究中，使用免疫亲和肽质谱法分离 COVID-19+ 和健康对照母亲样本中的母乳免疫复合物。对 70 种人类蛋白质进行了测序，包括 L-木酮糖还原酶，这是母乳中的一项新发现。通路分析强调了免疫复合物 (IC) 蛋白的佐剂功能。从 COVID-19 感染并发妊娠后的母乳中回收的 IC 含有 SARS-CoV-2 Nsp13 解旋酶。总之，牛奶免疫复合物既含有佐剂，又含有抗原，这表明牛奶还有另一项功能：接种疫苗。

ENBM062 - 脑瘫矫形手支架

痉挛性脑瘫患者有时会出现手部挛缩，导致手部自行闭合，从而减少活动范围 (ROM)。对于用手来了解世界的儿童来说，这是一个问题。目前的治疗方法包括矫形器，但这种矫形器往往笨重且不舒服，而电刺激已被证明可有效缓解疼痛和减少痉挛。该装置的目的是通过电刺激减轻挛缩引起的疼痛，并通过矫形器伸展挛缩。为了测试该装置，在不使用装置的情况下测量了每个参与者的手指角度。然后，在佩戴矫形器的情况下测量手指角度。对照组在不使用电刺激的情况下进行测量，测试组在佩戴电刺激的情况下进行测量。最后，参与者就如何改进矫形器给出了反馈。手指角度的平均变化为 1.88°。与测试组相比，对照组的角度平均变化高出 0.67°。这些结果表明，所提出的矫形器确实增加了 ROM，参与者的反馈表明 TENS 装置确实放松了肌肉，但 TENS 并没有帮助改善 ROM。未来的测试将在更长的时间内进行，以观察该设备的长期有效性。患有脑瘫的儿童患有慢性疼痛，并受到 ROM 减少的限制，但这种设备可以增加他们的 ROM 和整体生活质量。关键词：脑瘫、挛缩、运动范围、矫形器、电刺激

ANIM004 - Jua Bravo 的杀幼虫生物潜力

致病蚊子代表着一个公共卫生问题，因为它们是各种虫媒病毒的载体，例如登革热、基孔肯雅热和寨卡病毒，这些病毒会给感染者带来严重的后遗症，例如小头畸形、格林-巴利综合征、基孔肯雅热后慢性炎症性风湿病等。从这个角度来看，这项研究旨在调查 Juá Bravo 提取物（Solanum viarum Dunal）的活性成分作为潜在的生物杀幼虫剂对抗双翅目蚊科昆虫的作用。实现目标的方法是：收集材料；提取提取物；进行植物化学实验；评估 Solanum viarum 提取物对埃及伊蚊和按蚊幼虫的毒性。在进行生物测定的样品中，观察到糖苷单元中含有两个糖的皂苷 1 和 2 表现出最好的杀幼虫活性，在浓度为 400 mg/mL 的条件下施用 24 小时后，LC50 值分别为 100 ± 0.31 和 100 ± 0.24 mg/mL。在浓度为 20-100 μg/mL 的条件下施用在蚊子幼虫上，12 小时内杀幼虫活性为 20%，24 小时内杀幼虫活性为 60%，72 小时内为 100%。20 只埃及伊蚊幼虫暴露于有效成分 72 小时内的死亡率为：糖苷 (85%)、类固醇 (56%)、蒽 (58%) 和香豆素 (63%)。在对受控幼虫产生的蚊子进行基因测试时，所有蚊子都经历了性别二态性 (100%)，即它们没有繁殖能力，从而使疾病失效。因此，该研究表明，在评估经济可行的替代方法时，使用天然提取物对埃及伊蚊和按蚊进行昆虫防治具有重要意义。

MATH021 - 弥补亨塞尔引理的缺陷

亨塞尔引理是 p 进数论的基础，正如本研究发现的那样，它是一种可能彻底改变椭圆曲线密码学背后的数学原理的方法。它的工作原理是将多项式 f 的根 f(a) 提升到根 mod p，这可以更有效地找到整数解，否则可能不存在整数解。证明亨塞尔引理的一种常用方法涉及以下不等式，该不等式限制了 p 进解与其第 n 次近似之间的距离：|{alpha} − a_n|_p ≤ (|f’(a)|_p) * (|f(a)/f’(a)^2|_p)^2^(n-1)。显示使这个“收敛不等式”变成等式的 n 值对于 p 进近似根的实际使用至关重要。然而，对于 n > 10 的任何值，这种等式从未被证明过，这使得我们目前对其行为的理解并不完整。这项研究的目的是证明不等式对于更大的 n 值（然后是所有 n）都成立，我用 Python 构建了一个计算机程序来以数字方式演示这一点。然后，我成功地通过归纳法证明了所有 n 值的等式，并得到了程序结果的支持。因此，我修正了我们对不等式行为的理解，我证明了它可直接应用于近似椭圆曲线上的有理点，如果加以利用，这一策略每年可以为美国节省数亿美元的网络安全费用。之前没有记录过这样的证明，这是一个新发现。

TMED035 - 太空中伤口愈合的光生物调节

对太空宇航员的研究表明，微重力会破坏伤口愈合所需过程的微妙平衡，减慢甚至完全停止伤口愈合。这对长期太空旅行构成了严重风险。在这项研究中，研究了使用光生物调节 (PBM)（使用 600-800nm 的光来刺激细胞过程）作为在正常和模拟微重力条件下加速伤口愈合的新方法。选择涡虫作为组织再生的模型，并暴露于波长和能量密度不同的 PBM 治疗。结果显示，在正常重力下用 PBM（660nm，0.36J/cm^2）处理时，芽基生长率增加了 47.1%。为了模拟微重力环境，构建了一个低成本的 3D 回转器。在 3D 回转器中重复了该过程，结果表明，当暴露于相同的 PBM 治疗时，芽基生长率增加了 95.2%。为了确定 PBM 对人体细胞的有效性，对细胞系 DU145 进行了划痕伤口闭合试验，结果表明使用 PBM（660 nm 0.36J/cm^2）后，细胞迁移率增加了 29.4%。PBM 治疗结果表现出剂量依赖性，最佳治疗包括 5 分钟的 660nm 红光照射（0.36J/cm^2）。在两种伤口模型中，大于或小于 0.36J/cm^2 的光通量效果明显较差。结果表明，PBM 可能是太空甚至地球上伤口愈合的更优越、更经济的解决方案。

CBIO057 - 微生物组分析心脏代谢疾病

人体微生物组是指生活在人体内的微生物群落。微生物组的组成能够影响人类各种疾病的表现，这种现象通常通过分析它来研究。在这项研究中，我们试图检验机器学习是否是一种可靠的工具，仅基于肠道微生物组即可预测各种心脏代谢疾病的状态。该研究比较了不同模型在包含测序和组装的微生物组数据的数据集上的预测能力，并分析了对这些模型影响最大的细菌。在研究中，发现一些模型可以作为某些疾病的有效诊断工具。此外，还发现了特定细菌的存在与疾病之间的特定相关性，例如大肠杆菌与 2 型糖尿病、链球菌与冠状动脉疾病等等。这些发现表明，机器学习可以成为诊断各种疾病的准确、高效且廉价的解决方案，并且肠道微生物组对这些疾病具有重大影响。未来的研究可能会使用本项目开发的方法进一步分析微生物组数据。为这项研究开发的代码已作为开源软件发布，尽管它有一些针对研究的优化，但它可以应用于任何数据集，不一定与微生物组相关。

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