赛事动态 - 第 2 页 - Regeneron ISEF 国际科学与工程大奖赛

2025 Regeneron ISEF大奖-ETSD工程技术：静力学与动力学获奖作品汇总-3

最新官方消息！全球科创天花板赛事——国际科学与工程大奖赛（Regeneron ISEF），现已正式公布了2026年总决赛的举办时间和地点。这场汇聚全球青年创新力量的科技盛宴，将于2026年5月9日至15日，在美国亚利桑那州凤凰城会议中心（Phoenix Convention Center, Arizona）璀璨启幕。

2026ISEF赛事安排

参赛资格

年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

为了方便同学们更好的备赛，特别整理了ISEF-ETSD工程技术：静力学与动力学2025的获奖作品方便学习

ETSD工程技术：静力学与动力学获奖作品集合

ETSD026T - 用于冷却和吸音的混合式胎压监测系统

随着高性能CPU和GPU的使用日益增多，热管理变得至关重要。传统的冷却方法，例如散热器和空气冷却器，通常会产生持续的噪音，导致用户不适。本研究探讨了三重周期极小表面（TPMS）的散热和吸声特性，并开发了一种混合型TPMS配置以增强这两种功能。在强制对流条件下，分析了不同偏移厚度的Gyroid、Diamond、Lidinoid和Split-P型TPMS结构的散热情况，并使用双麦克风装置测量了吸声系数。热模拟表明，S(0.6)结构的最高温度最低，为55°C；而声学测试表明，D(0.65)结构的吸声系数最高，为23.2%。开发了一种以S20D80比例结合S(0.6)和D(0.65)的混合型TPMS，其最高温度达到57.3°C，吸声系数达到25%。对比分析显示，针式散热器温度高达 93°C，而混合式 TPMS 温度维持在 57.3°C，降低了 35.7°C。这些结果表明，混合式 TPMS 在需要同时散热和降噪的应用中具有潜力，能够提升热性能，并为高性能计算提供更安静的环境。

ETSD028 - 一种新型变形鼻锥机构

飞机鼻锥的气动效率对整体飞行性能至关重要。传统的鼻锥设计针对特定速度范围进行优化，这限制了其整体效率。本研究调查了不同鼻锥几何形状对亚音速、跨音速和超音速下阻力、重量和体积的影响，旨在开发一种可动态调整形状以最大程度降低阻力的可变形鼻锥。在 ANSYS Fluent 中进行计算流体动力学 (CFD) 仿真，以分析冯·卡门 (Von Karman)、切线拱形、幂级数、椭圆形、圆锥形和抛物线形鼻锥的气动性能。鼻锥和边界域在 SolidWorks 中创建，导入 ANSYS Workbench，在 ANSYS Meshing 中划分网格，并使用 ANSYS Fluent 中的 k-omega SST 湍流模型进行仿真。模拟运行至收敛（残差为1e-6，约5000次迭代），针对0.3马赫至2.0马赫之间的11个速度范围，以捕捉各种飞行条件。研究发现，与静态设计相比，基于速度在最佳几何形状之间过渡的可变形鼻锥可显著降低阻力，使鼻锥效率提高9.5%。为了实现变形，在SolidWorks中设计了一种伸缩机构。在制造了五个原型后，最终机构被制造出来用于实际测试。研究表明，可变形鼻锥设计切实可行，能够提高燃油效率，并减少对环境的影响。未来的工作将包括创建闭环反馈系统，模拟1.0马赫左右的更多数据点，并改进变形机构。

ETSD039 - 低噪音环形无人机螺旋桨的发明

四旋翼无人机具有简化野生动物观察研究工作的独特潜力，从而有助于改善生态系统的生物多样性和碳封存。然而，四旋翼螺旋桨的噪音会对研究环境造成危害。近年来，环形螺旋桨被开发出来，其独特的形状可以降低噪音。目前的文献对环形螺旋桨几何变化的分析有限。本研究通过计算和实验研究了以下环形螺旋桨设计特征对气动和声学性能的影响，以开发出用于野生动物观察的最安静、最高效的模型：总距角、叶尖锥度、弦长和锥度、短轴长度和弯度。本研究还确定了一个新颖的设计参数——前段高度叶片高度偏移，该参数可进一步将环形螺旋桨的声学特征降低 1.9 dBA。首先，使用计算流体力学 (CFD) 中的雷诺平均纳维-斯托克斯方程，模拟所有变体计算机辅助设计 (CAD) 模型的推力和扭矩。候选设计采用 3D 打印技术，并通过静态推力和扭矩试验台进行实验测试，并对比传统螺旋桨的品质因数 (FM) 效率和噪声输出。最终确定了所有七个设计参数的最优值，最终设计出噪音降低 4.4 dBA 的螺旋桨，在 1000 至 10000 Hz 的频率范围内（动物对声音最敏感的频段），平均声压降低了 40.7%，从而促进了负责任的环保行动。

ETSD051 - 模块化离子风冷系统

本项目旨在利用离子风技术设计下一代冷却装置。该系统由高压发射极和集电极组成，它们产生并吸引离子，推动离子并形成气流，无需机械部件。由于该设计为非机械结构，在实现与传统风扇相同的性能的同时，它还支持灵活、紧凑的设计，并具有更长的使用寿命和低于典型环境噪音的安静运行噪音。此外，电极的形状和位置可以定制，以实现更直接的气流，最大限度地减少湍流并提高效率。因此，由于其强大的灵活性和适应性，该装置可以减少能源浪费和碳排放。本项目主要关注笔记本电脑场景，因为静音和紧凑性至关重要。然而，更广泛的应用还包括密闭空间内的气候控制以及医疗或工业系统的热管理。该项目采用建模和3D打印技术制作原型，然后通过严格的科学流程来评估气流、散热率、噪音和能耗等性能指标。预计结果表明，离子风冷却技术是一种可行且更高效的传统风扇替代方案。

ETSD052 - SkyProbe：推力矢量无人机

本项目展示了一款创新型推力矢量无人机 (UAV)，专为在高空和强风条件下执行接触式检测（超声波裂纹检测、波形检查和附着力测试）而设计。传统无人机由于结构刚性和对湍流的响应能力有限，在近距离检测中通常难以保持稳定性。为了解决这一问题，我们开发的这款无人机采用了独特的推力矢量系统，利用能够动态调整角度的伺服控制螺旋桨。这项创新技术使无人机能够不受外部干扰地保持稳定的水平机身，从而显著提升其检测能力。\n我们专门为这款无人机开发了一种新型推力矢量控制逻辑，集成了前馈 PID 控制、光流传感器和激光测高等先进控制技术。该控制系统提供精确的实时反馈和位置校正，显著提高了无人机的响应能力和可靠性。这款推力矢量无人机不仅在性能上超越了传统的四旋翼飞行器，还拓展了无人机技术在工业检测中的潜在应用，提高了维护操作的效率、安全性和准确性。

ETSD057 - 拉挤和挤压回收长丝

随着 3D 打印机的使用日益普及，回收废旧耗材和失败的打印件的需求日益增加。传统上，耗材是通过将碎料送入挤出机生产的；这种耗材质量较差，需要重新挤出。本项目尝试了一种新技术：将挤出与拉挤相结合；理论上更节能省时。\n\n我们设计并评估了一个压缩螺旋钻；采购了各种塑料，包括废料、失败的打印件和 PET 瓶。我们用木材、金属和 3D 打印部件构建了一台挤出机；并设计了一个原始的电子系统。所有元件均在一个简易的家庭作坊中制造。该作坊包含水冷、风冷、卷绕、拉挤和耗材牵引单元。我们通过集成的电压/电流表测试了能耗。我们测试了超过 30 种温度区域组合。耗材生产完成后，我们评估了质量和公差。我们还测试并对比了拉挤和挤出工艺。\n\n该设计包含超过 50 次组件迭代。该机器的能耗为0.89千瓦时。确定了使用每种材料生产长丝的最佳温度，包括PLA：从1-3区（摄氏度）：150、202、126。生产的长丝公差为正负0.2毫米。据估计，挤出和拉挤工艺的组合比标准工艺效率高约45%。\n\n大多数工程标准均已满足。该项目验证了挤出和拉挤工艺组合的概念验证，从而能够回收各种塑料并避免填埋。未来仍需进一步测试，以优化两种技术的集成，并提升速度、尺寸和布局。

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2025 Regeneron ISEF大奖-ETSD工程技术：静力学与动力学获奖作品汇总-2

2026ISEF赛事安排

参赛资格

年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

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ETSD工程技术：静力学与动力学获奖作品集合

ETSD013T——机器人尾部外骨骼

本研究介绍了一种仿生机器人尾外骨骼，旨在辅助人类保持平衡，其设计灵感源自猫和袋鼠等动物。该装置旨在解决跌倒这一严重问题，尤其是在老年人群体中。其主要特点包括三自由度机构、便携伸缩性、低成本材料以及适应各种体型的可调节性。\n\n关键词：仿生尾外骨骼、机器人尾、平衡辅助装置、跌倒预防、柔性机器人尾、三自由度机械手、仿生机械设计、姿势传感器、可折叠外骨骼、仿生学。

ETSD016 - 一种学习滑板的新颖、更安全的方法

学习滑板极具挑战性，而且经常导致受伤。与自行车不同，滑板没有通用的初学者训练辅助工具。本项目旨在打造一种类似滑板训练轮的装置。由于滑板轮的尺寸和形状各异，原型设计围绕两个标准部件：轴承尺寸和轮轴螺母。项目设立了六个关键标准来定义其成功之处：可调节减速比、更佳的平衡性、兼容所有类型的滑板、不损坏滑板或轮子、易于安装和拆卸以及紧凑的设计。概念草图被转化为3D CAD模型并进行3D打印，之后设计经过多次迭代改进。在平滑的坡道上对原型进行了测试，以了解其如何影响摩擦力并使滑板完全停止。为了测试平衡性，研究人员尝试了站立前屈、舞者姿势和树式等瑜伽姿势。没有晃动意味着装置更稳定。此外，还对该装置的使用速度进行了计时，安装和调整时间不到60秒。滑板止动器最终原型已使用 4 块不同的滑板和 5 块不同的滑板轮进行测试，重点在于在滑板上施加摩擦力以改变速度。结果证实，原型有效地降低了滑板的速度，使其停止，并增强了平衡性，从而提供了更安全的学习体验。滑板止动器可以增强初学者的自信心和控制力，使学习过程更轻松、更安全、更轻松。

ETSD018T - 3D打印再生冷却气动尖峰喷嘴

气塞式火箭发动机于20世纪60年代末开发，旨在解决传统钟形火箭发动机的一个重大缺陷：不同高度的废气膨胀效率低下。与仅在特定高度达到最佳效率的钟形发动机不同，气塞式发动机通过利用大气压力来控制排气流量，从而保持一致的效率。尽管气塞式发动机在理论上具有优势，但由于重量和冷却方面的挑战，其在历史上并不实用。笨重的尖头及其内部结构冷却的复杂性抵消了发动机效率的提升，并阻碍了其广泛应用。随着Ti64等高温合金增材制造技术的最新进展，人们能够利用基于激光的3D打印技术在气塞式发动机内创建复杂的冷却通道。与传统的数控铣削或铸造相比，金属3D打印可最大限度地减少材料浪费并降低创新成本，使其成为制造轻量化、高性能火箭发动机的理想解决方案。该项目旨在利用这些技术进步，设计和制造一款带有再生冷却通道的小型气塞式火箭发动机。该过程包括模拟喷嘴设计，并用耐高温高强度树脂打印出来，并通过实际测试进行验证。原型将在休斯顿 TRIPOLI 火箭发射场的定制火箭发射台上进行测试。该项目旨在验证一种新型再生冷却方案的可行性，该方案针对深空推进和可重复使用的单级入轨（SSTO）卫星火箭等长航时应用进行了优化。

ETSD021 - 创新型垂直起降（VTOL）无人机

无人机广泛应用于军事和民用领域，其中垂直起降 (VTOL) 无人机兼具直升机的垂直升力和固定翼飞机的水平巡航效率。然而，传统的 VTOL 无人机在过渡阶段面临着能源效率低下、生产成本高昂以及稳定性挑战等问题。本研究介绍了一种新开发的 VTOL 无人机，该无人机采用一种新型倾斜机构，允许同一台电机同时用于垂直升力和水平巡航，从而消除了冗余组件并显著提高了能源效率。此外，全模块化设计增强了适应性、耐用性和易维护性。该原型机重约 2.6 公斤，制造成本仅为同类传统 VTOL 无人机的五分之一。\n截至 2025 年 1 月，同行评审文献的回顾表明，此前尚未有记录的 VTOL 无人机采用这种倾斜机构，更不用说集成模块化设计和自适应倾斜系统的无人机了。计算流体动力学 (CFD) 模拟验证了气动效率，最佳巡航速度为 72 公里/小时，升力和阻力达到平衡，从而延长续航时间。这一速度与固定翼无人机相当，但速度明显快于多旋翼无人机。CFD 计算估计飞行时间为 105 分钟，与同类固定翼无人机的续航时间相当。\n未来的发展将融入人工智能驱动的自主飞行能力，以增强实时决策和运营效率。这项研究通过提高推进效率、成本效益和模块化适应性，为垂直起降无人机技术树立了新的标杆，为更广泛的实际应用铺平了道路。

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2025 Regeneron ISEF大奖-ETSD工程技术：静力学与动力学获奖作品汇总-1

2026ISEF赛事安排

参赛资格

年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

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ETSD工程技术：静力学与动力学获奖作品集合

ETSD001 - 调节 3D 打印机层粘附的运动

在全球范围内，最广泛的 3D 打印方法是 FDM（熔融沉积成型），但这种方法通常存在层间粘合性差的问题。当对 FDM 打印部件施加拉伸力或剪切力时，由于连续层之间的粘合受限，机械故障往往会沿着层线发生。这严重阻碍了 FDM 部件的适用性，因为必须尽量减少拉伸力/剪切力，并且/或者必须在部件上添加额外的材料。\n\n该项目分析了调节 3D 打印机打印头的运动是否可以提高部件的强度。通过定期引入向下然后向上的“行进”运动，可以重新加热并增加层的表面积，从而促进其粘合。该项目使用自编程的 Python G 代码解析器，将该技术应用于几乎所有 FDM 打印机的任何 3D 模型。\n\n为了进行测试，我们使用多种塑料打印了符合 ISO 527 和 ISO 179-1 标准的样品，并在万能试验机和夏比冲击试验机上进行了测试。 \n\n事实证明，该技术显著提高了多种塑料的层间附着力，某些长丝的拉伸强度是相同条件下打印的标准部件的 8.6 倍。几乎所有塑料的拉伸强度和冲击强度都显著提高。\n\n如果该技术得到广泛应用，可以提高 3D 打印机的适用性，从而提高设计效率，并大幅减少塑料垃圾的产生。该方法既可用于增强工业部件（例如汽车或航空航天部件），也可用于增强家用 3D 打印件的强度。

ETSD003T——模块化二级推进火箭

该项目推出了一种完全自主设计、完全开源且价格合理的火箭模块，旨在解决现有技术无法有效解决的实际挑战，例如清理空间垃圾和多功能小型火箭的差距。我们通过独立开发模块化、经济高效且可重构的原型，提高了火箭的可及性和安全性。\n\n我们探索的一大重点是火箭燃料的创新。最初，我们用常见的家用物品（食盐）合成了定制的高氯酸铵基推进剂。在此基础上，我们实验、合成并测试了DNOAF，这是一种高能化合物，我们探索了其卓越的比冲和清洁的燃烧产物。此外，我们还开发了一种安全、电控的HAN基固体推进剂，它仅通过施加电压即可点火，并可通过控制电压进行节流。该设计应用广泛，包括控制火箭主发动机、主动控制系统，甚至用于太空飞行无人机。此外，我们还独立设计了火箭发动机、飞行计算机，以及一架可打包、柔软且具有抗碰撞性能的无人机，该无人机可从火箭上部署。我们进行了十二次实地测试和火箭发射，以分析和计算总冲量和稳定性，并尝试采用自主加工的发动机设计来优化火箭性能。飞行计算系统的有效性通过 MATLAB 仿真进行了评估。

ETSD005 - 铰链螺纹

某些物体在与它们交互时，可以在多种几何构型之间变换。这些被称为可展开结构的系统在空间技术、快速部署的救援避难所和弹出式建筑中有着重要的应用。实现这些结构的变换有很多方法。之前的研究使用管、瓦、网和铰链来建模它们。\n\n本文探讨了一种新颖且更高效的技术，即通过结合铰链和螺纹来创建可展开结构，并为此创造了“铰链螺纹”一词。铰链用于维持秩序并提供变换路径，而螺纹则使这些铰链的操作更加平滑且更可控。待螺纹化的结构被建模为图形，并使用图形螺纹化的数学框架进行分析。\n\n该方法侧重于最小化螺纹圈数以减少摩擦，并在此过程中缩短螺纹长度以降低制造成本。本文开发了一种算法来识别凸多面体网络的最佳螺纹点。为了验证该算法，我们用激光切割并测试了规则和不规则多面体的网格。此外，我们还根据这些网格上的螺纹孔数量进行了摩擦分析。根据摩擦分析结果，我们将网格分为摩擦系数低的网格和摩擦系数高的网格。\n\n铰链式螺纹提供了一种用户友好的机制，可以将二维网格平滑地部署到三维形状中。未来的研究可以重点关注能够自动停止在所需角度的铰链和多螺纹网格的开发，以拓展其应用范围。

ETSD010 - 基于代理群的自主结构组装

全球数亿人正受到全球建筑需求无法满足的影响。尤其是到2040年将达到100万亿美元的普遍基础设施不足，对健康结果、经济生产力和生活质量造成了毁灭性的影响。遗憾的是，尽管对基础设施和建筑偿付能力的需求日益增长，但现有方法却未能解决问题的根源：灵活性和效率不足。研究人员通过开发ASCEND（一个利用智能体群的自主结构建造框架）设计出了一种解决方案。ASCEND采用在高保真模拟环境中训练的强化学习模型，以实现任意工作空间中多个无人机（UAV）智能体之间的任务级协调。智能体采用基于策略的集中式批评家-分散式参与者方法进行训练。此外，计算机视觉算法（包括基准标记）也使用真实数据进行训练，以引导智能体完成最终的接近。每个物理智能体都是一个定制设计的四轴飞行器，配备一个3D打印的末端执行器来操纵结构部件。 ASCEND 训练期间收集的结果揭示了预期奖励和策略/价值损失曲线。模拟中的结构完成精度超过 96%，与实际测试结果一致，证明了模拟的逼真度。跨多种环境的可扩展性和稳健性测试表明，结构完成精度和速率的差异极小，证明了该框架在各种条件下的高效性。最终的代理群原型满足了所有初始标准和约束条件，确立了 ASCEND 弥补全球建筑缺陷的潜力。

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2025 Regeneron ISEF大奖-EGSD能源可持续材料和设计获奖作品汇总-3

2026ISEF赛事安排

参赛资格

年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

为了方便同学们更好的备赛，特别整理了ISEF-EGSD能源可持续材料和设计2025的获奖作品方便学习

EGSD能源可持续材料和设计获奖作品集合

EGSD036 - 基于肼的海水制氢

电解是最有效的制氢方法之一，每年消耗约400亿升淡水，因此由于淡水稀缺，其规模化应用受到限制。海水是一种丰富的替代能源，然而，它面临着复杂的挑战，例如未经海水淡化直接使用会释放有毒的次氯酸盐。本项目旨在采用一种新方法，将水合肼与Pd-Ni(OH)₂/NF催化剂相结合，并测试其电化学性能，以评估其作为海水制氢体系的性能。Pd-Ni(OH)₂/NF催化剂采用热板辅助浸渍法合成，并至少制备五次以确保结果的准确性。将水合肼添加到电解液中，用肼氧化反应取代析氧反应，该反应的过电位低于析氯反应，从而防止了次氯酸盐的释放。在含肼的海水中对该系统进行的LSV测试表明，其性能有所提升。不使用肼时，系统在 1 V 电压下电流密度达到 8 mA/cm²；而使用肼时，电流密度则提升至 1030 mA/cm²，使系统效率比不使用肼时高出 129 倍，比阳极基准 RuO₂ 高出 99 倍，同时成本降低 39%。该系统仅需 0.6 V 电压即可达到工业基准电流密度 500 mA/cm²，仅为当前商用系统通常所需电压 1.8 V 的三分之一。该系统在 500 mA/cm² 下保持稳定 20 小时，表明其具有极高的耐用性。这些结果凸显了利用丰富的海水作为大规模制氢资源的潜力，有助于实现可持续能源的未来。

EGSD037 - 无铅室内光伏电池的双掺杂策略

随着物联网 (IoT) 技术的进步，企业正在寻求用更高效、无线且环境可持续的室内光伏 (IPV) 技术（例如钙钛矿太阳能电池 (PSC)）来替代快速老化的电池。然而，PSC 中的铅毒性和不稳定性仍然是关键的限制因素。本研究采用了铋基钙钛矿，特别是 FA₃Bi₂I₉。它们提供了一种无铅替代品，但仍然存在溶解性差、吸收率低的问题，导致薄膜厚度小于 150 纳米，从而影响了效率。一种新颖的氢碘酸 (HI) 添加方法使前驱体的溶解度翻倍（0.5 M 至 1.1 M），从而实现了优异的成膜性能和结构均匀性，减少了不均匀晶粒，使其尺寸增加了 150% 以上，并进一步提高了整体性能。同时，首次报道了用银取代甲脒的方法，其光电性能获得了前所未有的提升。这些工艺使光吸收率激增100%，光致发光强度提升60%，结晶度增强400%，厚度超过300纳米。2.14 eV的精细带隙恰好位于理想的室内范围（1.8-2.4 eV）内，增强了可见光波长范围，从而提高了室内光吸收率。在85% RH和85°C下进行的高级稳定性试验证实了其100小时的运行耐久性，基于模拟的功率转换效率达到了卓越的23.6%。合成工艺已成功扩展到柔性PEN-ITO基板，验证了其作为下一代物联网集成涂层的可行性。无铅钙钛矿工程的这一突破为智能电子、生物医学应用和可持续能源解决方案释放了巨大的潜力。

EGSD038 - 用于氢气泄漏的气相铬涂层传感器

随着清洁能源需求的加速增长，氢气正处于广泛应用的前沿。由于氢气无味、火焰几乎不可见且燃烧无烟，因此难以检测氢气泄漏。目前，电化学、钯基和光纤传感器等技术可以检测大型基础设施中的氢气泄漏，但缺乏空间分辨率，难以准确定位泄漏源。本项目旨在开发一种可涂覆气相变色WO₃/Pd纳米粒子的传感器，以提供一种简单可靠的氢气检测方法。该传感器通过化学反应在氢气暴露下触发颜色变化。值得注意的是，该技术无需电源，响应时间快，效率高。本研究中使用的材料无害。该传感器结构由一个可涂覆、可拉伸的WO₃-Pd传感器组成，该传感器通过光化学沉积与丙烯酸聚合物结合制备而成。本研究包括使用加油站和封闭式反应堆进行数据收集和实验，以测试所有响应时间、选择性、气体暴露和灵敏度。最终成果是开发出一款功能齐全、可涂装、快速可逆的传感器，该传感器可在10分钟内完成。该款可涂装的氢气检测传感器性能卓越，在室温下1%的氢气浓度下，响应时间仅为30秒，灵敏度高达91%。这款创新型传感器在各种与氢气相关的储运应用中拥有巨大潜力。通过利用气相色谱技术，构建储运基础设施的安全系统，支持氢能经济的增长，为构建更清洁的未来提供可持续的解决方案。

EGSD040 - 水凝胶热管理提高太阳能效率

光伏 (PV) 太阳能是增长最快的能源，其可扩展性和多功能性无与伦比。然而，光伏电池板效率低，限制了其大规模发电的能力。随着人工智能和高性能计算需求的不断增长，对可持续能源解决方案的需求也日益增长。目前，电网无法跟上计算能力的增长。吸湿性水凝胶冷却是一种很有前景的解决方案，它利用水的高汽化潜热来散热，同时收集大气中的水分，从而提高光伏电池的效率。本研究引入了一个开源的、经过实验验证的模型，用于模拟吸湿性水凝胶对光伏电池和计算处理器的冷却效果。该模型使用四阶龙格-库塔 (RK4) 方法求解微分方程，使研究人员能够评估任何水凝胶在任何光伏电池或处理器上的冷却潜力。通过模型驱动的优化，开发了一种混合水凝胶散热器系统。采用 Schwarz-D 三重周期极小曲面设计的金属散热器，可最大程度地提高导热系数和表面积，从而实现最佳散热效果。Maxeon 业界领先的太阳能电池板（目前最高效的商用电池）的实验测试突破了其极限，实现了前所未有的峰值性能提升。本研究引入了一种新型混合水凝胶散热器系统，可在降低成本的同时提高太阳能电池板的效率。此外，这项研究还直接延长了电动汽车的续航里程，并提升了高性能计算能力，使 CPU 和 GPU 能够以更高的功率运行。

EGSD042 - 利用回收砂浆中的 CaVO 制备自充电 AZIB

不断增长的全球能源需求亟需创新高效的存储解决方案。然而，传统的储能设备通常需要外部充电，这在偏远地区、紧急情况下或需要持续自主运行的应用中可能会造成问题。开发自充电电池不仅可以提高运行独立性，还能通过减少对外部电网的依赖，促进更可持续的能源生态系统。本研究旨在开发一种可持续的水系锌离子电池 (AZIB)，该电池采用回收砂浆，并通过氧化还原反应和电化学性能评估其自充电能力。本研究采用一种可持续方法，利用水溶性工艺从回收砂浆中提取氢氧化钙。然后，通过一步水热反应将提取出的氢氧化钙和五氧化二钒合成为 CaV6O16•2.8H2O (CaVO) 纳米结构正极材料。对所得材料的结构和形貌进行了全面表征。电化学测试证明了该电池的自充电能力，该能力由氧气和钒物种之间固有的氧化还原反应驱动。恒电流充放电 (GCD) 和循环伏安法 (CV) 分析表明，与采用不可持续方式制备的传统 CaVO 相比，其性能显著提升。具体而言，所开发的电池放电容量达到 155 mAh/g，提升了 36%，同时在长时间循环中保持了 99% 的库仑效率。这项研究展示了利用建筑垃圾制造高性能自充电 AZIB 的潜力，为先进的储能应用提供了可持续高效的解决方案。

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2026ISEF赛事安排

参赛资格

年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

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EGSD能源可持续材料和设计获奖作品集合

EGSD021 - 基于生物材料的压电摩擦混合发电机

全球能源需求日益增长，尤其是对小型、便携式、可穿戴电子设备和自供电系统的需求，使得开发可持续能源成为必然。机械能纳米发电机 (MENG)，包括压电纳米发电机 (PENG) 和摩擦电纳米发电机 (TENG)，前景广阔，但也面临诸多挑战：PENG 通常使用有毒且易碎的材料，例如锆钛酸铅 (PZT)，而 TENG 对环境条件敏感且能量输出较低。\n为了应对这些挑战，本研究旨在开发一种高输出混合压电摩擦纳米发电机 (HNG)，其采用天然生物材料——蛋壳膜 (ESM) 和棉花，并用氧化锌 (ZnO) 进行改性。HNG 采用拱形结构，包含两个基于 ZnO 改性生物材料的 PENG，以增加上部 PENG 的应变并实现接触-分离模式。摩擦正电沉积棉 (ESM) 用作基底 PENG，摩擦负电沉积棉 (Tribopositive Cotton) 用作上弓 PENG。\n 制备了每种生物材料的 PENG，并用不同浓度的 ZnO (10–30%) 改性 ESM 和丝光棉。通过系统的性能评估，发现 30% w/w ZnO 产生的峰值电压分别为 7.55 V（棉）和 7.10 V（ESM）。优化后的 PENG 最终组装成 5 × 3 cm 的 HNG，在跌落测试条件（1 kg、跌落高度 3 cm、5 Hz）下，平均 Vpp 为 20.47 ± 2.20 V，VRMS 为 6.82 V。在用力敲击（约10 N，3 Hz）下，HNG 的峰值输出达到 33.29 V。此外，在 5 MΩ 负载电阻下，HNG 的功率密度达到 26.4 µW/cm²。总而言之，生物基 HNG 是一种可持续且有前景的替代不可再生能源和传统 MENG 的方案。

EGSD027 - 研究超高羧基密度粘合剂

电动汽车解决了化石燃料造成的环境污染问题，但70%的消费者认为电池容量有限是一个主要缺点。用硅（Si）替代传统的石墨阳极可以将容量提高11倍，从而弥补这一缺陷。然而，充电过程中硅的膨胀会损害电池的完整性，这促使本研究旨在利用聚合物粘合剂提高硅阳极的稳定性。数据驱动模型表明，尽管存在粘附和电解液消耗的相互矛盾的机制，但具有超高羧基（COOH）密度（0.33 COOH/单体）的粘合剂可以优化硅的稳定性。本研究解析了这些机制，考察了它们在超高COOH密度下的关系，以预测和优化硅阳极的功能。利用密度泛函理论（DFT），相互作用能（IE）量化了粘合剂的粘附性，而pKa则量化了电解液的消耗。 COOH 密度与 IE 密切相关 (r = 0.90)，而 pKa 则不然 (r = -0.15)，这表明在超高 COOH 密度下，粘合剂的附着力增强，而电解液消耗量却不高。使用 DFT 模拟进行的定性分子分析揭示了配位共价键是一种新的附着机制，非配对 t 检验表明 IE 显著增加 (p < 0.01)。然后物理合成了具有标准 (n=2) 和超高 COOH (n=1) 密度粘合剂的硅阳极，并测量了其真实性能，证实了超高 COOH 密度可将电池性能提高 90% (p < 0.01)。证明超高 COOH 密度粘合剂可实现前所未有的附着力，而不会同时增加电解液消耗，本研究为下一代硅阳极中使用超高 COOH 密度粘合剂以满足全球可持续能源需求建立了概念验证。

EGSD029 - 微型抽水蓄能系统涡轮机评估

由于温室气体排放增加，全球气温正在上升，而能源生产和消费是最大的贡献者。本实验的目的是评估一种绿色解决方案。具体来说，该项目研究了一个微型闭环抽水蓄能系统，并对三种涡轮机进行了科学评估：佩尔顿式、横流式和一种新型涡轮机（由实验者设计和制造）。该系统可以通过利用多余的太阳能并将其储存在一个具有低流量、高扬程应用的微型闭环抽水蓄能系统中，为农村和城市社区提供清洁能源。该实验系统由两个水箱组成，每个水箱可容纳约 1550 升水。本实验的主要假设是，如果一个带有新型涡轮机的微型闭环抽水蓄能系统充电到最大容量，那么它将随着时间的推移释放出最多的电能（瓦时，Wh）。虽然三台涡轮机的瓦时数在统计上没有显著差异（p 值 = 0.0906），但新型涡轮机的平均瓦时数接近两项既定的涡轮机行业标准（新型涡轮机平均值 = 10.24 Wh；佩尔顿涡轮机 = 11.76 Wh；横流涡轮机 = 11.07 Wh），并且在效率（新型涡轮机平均值 = 12.63%；佩尔顿涡轮机 = 14.39%；横流涡轮机 = 13.64%）和寿命（新型涡轮机平均排水时间 = 90 分钟；佩尔顿涡轮机平均值 = 100 分钟；横流涡轮机平均值 = 56 分钟）方面与其他两台涡轮机相比具有强劲竞争力。该实验展示了开发成功且相关的微型闭环抽水蓄能系统的三种有效方法。

EGSD032 - 受锤头鲨启发的风力发电

预计到2050年，风能将占美国总能源产量的35%。垂直轴风力涡轮机（VAWT）因其独特的优势而备受瞩目，例如其全向性以及在湍流和多变风况下的卓越性能。这种固有的适应性使其特别适合不同的地理位置，从而有助于提高风能系统的可靠性和稳定性，但其能量捕获效率较低。\n\n锤头鲨独特的头叶及其覆盖着结节的脊状结构体现了大自然的流体动力学优化。这些结节通过产生受控湍流、延迟流动分离和降低阻力来减少阻力并提高游泳效率。本研究将结节形态应用于风力涡轮机叶片的整个弦长，从而创建受限的流动通道。这项修改减少了阻力，加速了气流，并增强了升力，从而展示了仿生设计在提高风能捕获效率方面的潜力。\n\n使用 OnShape 创建了仿生叶片和基准光滑叶片的 3D 模型，并在 SimScale 中进行了分析。模拟显示了结节修改如何影响升力、阻力和整体空气动力学。此外，这些设计被 3D 打印并在完全运行的风力涡轮机模型上进行了测试。在测试期间测量了关键性能指标，包括产生的电压和转速 (RPM)。CFD 模拟使受结节启发的叶片的升阻比提高了 67%，而在现实世界运行中的物理实验表明，与具有统计意义的样本相比，RPM 提高了 12%，产生的电压提高了 20%。

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2026ISEF赛事安排

参赛资格

年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

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EGSD能源可持续材料和设计获奖作品集合

EGSD001 - 用于IMD的新型无线充电系统

3500万美国人体内植入了植入式医疗设备 (IMD)，例如心脏起搏器。IMD 的电池寿命是固定的（约 7-12 年），需要进行侵入性手术才能更换电池，并发症发生率约为 10% 至 20%。本研究使用电磁波为 IMD 电池充电。\n无线充电系统 (WCS) 由 9 单元相控阵天线（用于以 2.4GHz 电磁波形式传输能量）、3 菲涅尔透镜系统（用于将电磁波聚焦成集中的功率波束）以及小型 2.4GHz 整流天线（用于将电磁波转换为直流电）组成。\n电磁波在自由空间中（传输功率呈二次衰减，衰减率为 1/距离的平方）、穿过皮肤和接收天线以及整流天线的信号路径时会迅速损失能量。为了抵消自由空间损耗，我们设计了独创的电磁菲涅尔透镜，用于将1-2米范围内的波束聚光、准直和相位调整，从而形成窄而高效的功率波束。新型3菲涅尔透镜系统将半功率波束宽度从34°减小到11°，在1米范围内将增益提高7dB，并将波束宽度缩小至10厘米。\n此外，我们还对天线和手工原型整流器进行了能量捕获优化。我们对独创的PCB整流器进行了测试，最终设计的射频到直流能量转换效率超过85%。基于每年70mWh的能源需求，WCS可以通过发射1W（30dBm）的功率，在20-30分钟的医生就诊时间内为起搏器电池充电，自由空间/皮肤/天线的损耗为8dB，设计的整流器的效率为75%。该 WCS 可以作为 IMD 电池充电的解决方案，从而取代侵入性手术。

EGSD003T——绿色氢产品的双功能催化剂。

本研究提出了一种制备具有三维分级纳米阵列结构的双功能催化剂的新方法，用于高效尿素氧化反应和析氢反应，该反应涉及混合水电解，从而实现绿色制氢。通过碱性氧化Cu泡沫制备CuxNi1–xS2基催化剂，形成一维Cu(OH)2纳米阵列，然后用镍前驱体和硫脲进行水热处理。所得催化剂在两种反应中均表现出优异的性能，实现了高效的电荷传输和稳定性，具有更低的过电位、更小的塔菲尔斜率和更高的TOF值。在1.80 V尿素辅助混合水电解中，制氢速率约为0.365 mmol hr⁻¹，库仑效率为67.3%。这种不含稀土元素的CuxNi1–xS@Cu纳米阵列为太阳能驱动的尿素辅助混合水电解制氢提供了一种有前景且经济高效的电催化剂。

EGSD008T - 用于快速充电锂离子电池的 BP 阳极

黑磷 (BP) 具有较高的理论容量 (2596 mAh/g) 和安全的锂化电位 (0.7V)，展现出用于快速充电锂离子电池 (LIB) 的潜力。然而，低电导率和严重的体积膨胀（约 300%）严重阻碍了其应用。此外，快速充电 LIB 的固有缺陷令人担忧，例如不规则的固体电解质界面 (SEI) 形成和由于多磷化锂溶解（穿梭效应）导致的容量损失。在本研究中，引入磷酸锌作为多功能添加剂，以减轻多磷化锂的溶解，增强电池的反应动力学，并形成规则、富含 LiF 且导电的 SEI。因此，磷酸锌改性 BP 负极表现出优异的长期循环稳定性和高倍率性能，在 1C 倍率下循环 600 次后容量保持率为 1735 mAh/g。此外，即使在4C的高倍率下，经过250次循环后，其容量仍高达1330 mAh/g，相当于每次循环的容量损失仅为0.04%。最终，这项研究展现了磷酸锌改性BP负极的广泛应用潜力，因为它的成本与商业化的石墨（Gr）和硅碳（Si/C）负极相近，同时实现了与这两种负极相比更出色的快速充电性能。此外，在整个材料合成过程中使用高能球磨（HEBM）被认为是一种环保高效的大规模生产方法。

EGSD016 - 通过诱变优化芦竹作为生物燃料

对可靠可再生能源的需求日益增长，扩大了对生物燃料机遇的研究。然而，目前的原料占用农业用地，造成了重大影响。这项研究填补了芦竹（Arundo Donax）——一种入侵物种——作为可行生物燃料原料的探索和优化中的一个关键空白。本研究重点关注两个关键的基因靶点：开花位点T (FT) 基因，该基因通过抑制开花来增加生物量；以及矮人53 (D53) 基因，该基因可降低入侵性。在本研究中，我们通过计算机模拟设计了向导RNA (gRNA)，用于通过CRISPR/Cas9介导的两个靶基因的诱变进行优化。利用最新的染色体组装数据，本研究对基因组进行了功能注释以提取靶基因，然后通过NCBI与水稻和玉米等同源物种的比对验证了靶基因。随后，我们为每个选定的基因设计了3个gRNA，以确保广泛的选择范围。我们根据现有的AI评分模型，调整了一种系统性评分方法，用于预测每种gRNA的效率，从而确保在实验中成功筛选出合适的gRNA。与实验中成功的水稻gRNA的验证结果显示出高度相关性，表明该评分方法的可靠性。对于每个基因，相应的gRNA序列被确定为最优gRNA：FT-1 (5'-CCCACTAGTCGTAGGACATG-3')；FT-2 (5'-CATCACAACAGCGTCGCTGA-3')；D53 (5'-CGTCGATGGCGAAGCTACAG-3')。最后，CRISPR-Cas9编辑的计算模型预测了成功的移码突变，这些突变将有效地破坏基因功能。经计算，芦竹的生物量将增加55%，误差幅度为5%，分枝数量将显著减少，超过了行业标准。

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2025 Regeneron ISEF大奖-EBED嵌入式系统获奖作品汇总-3

2026ISEF赛事安排

参赛资格

年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

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EBED033T - 低成本盲文显示解决方案

盲文素养对于视障人士的教育和职业成功至关重要。传统的可刷新盲文显示器 (RBD) 通过动态升降针脚来形成盲文字符，价格昂贵，且依赖于复杂的压电执行器，限制了其普及性。我们推出了 BrailleSense，这是一款用于 RBD 的新型低成本系统。每个模块包含六个触觉盲文点，排列成两列垂直结构。每个模块的核心是一个旋转的圆形鼓，用于编码盲文列的所有可能配置。鼓表面的凸起与自由移动的针脚啮合，将旋转运动转化为触觉点的垂直位移。每个模块使用两个微型直流电机，每个鼓一个。然而，为了实现鼓定位的精确控制，该模块集成了安装在鼓盖上的直径磁体和一个 AS5600 磁编码器。该编码器提供高分辨率角度反馈，并在比例-积分-微分 (PID) 控制回路中进行处理。控制系统确保不同鼓状态之间可靠、快速的转换。 BrailleSense 降低了机械复杂性，同时提高了可靠性。该系统无缝集成了先进的反馈机制和精确的电机控制，确保高速运行和精确的位置跟踪。其模块化设计具有高度可扩展性，使其成为经济实惠、易于访问的盲文显示器 (RBD) 的理想解决方案。我们通过提供低成本、高性能的传统盲文显示器替代方案，为无障碍技术树立了新的标杆。BrailleSense 有潜力显著改善盲文技术的可及性，赋能视障人士，并提高盲文素养。

EBED039T - 清晰聆听：PCEN 的力量

本研究探讨了用于肺音分类的各种音频预处理技术，尤其是每通道能量归一化 (PCEN)。我们合并并增强了两个主要数据集，创建了一套全面的带标签音频片段，涵盖了一系列呼吸系统疾病。利用这些数据集，我们执行了三项分类任务：疾病诊断；区分哮鸣音、湿啰音和正常肺音；以及区分正常和异常肺音。每个数据集都使用多种方法进行处理，包括对数梅尔 (log-mel) 声谱图、梅尔频率倒谱系数 (MFCC) 和 PCEN 声谱图。PCEN 旨在降低其他处理方法中常见的背景噪声。随后，这些数据集被输入卷积神经网络 (CNN) 进行训练和评估。CNN 架构利用二维卷积层学习频率-时间特征，同时精心的数据分割和增强技术可以最大限度地减少过拟合。我们的结果支持了我们的假设，并表明 PCEN 在所有数据集和评估指标（例如损失值和准确率）上均始终优于 MFCC 和对数梅尔 (log-mel) 声谱图方法。这些结果证明了 PCEN 在抑制背景噪声和放大细微肺音方面的有效性，从而改善了评估指标。最关键的参数是控制信号平滑度的平滑系数 (T) 和平衡强弱声响的根 (r)。尽管需要更多的计算工作和参数调整，但 PCEN 的噪声抑制功能使其成为自动化肺音诊断的有力工具。

EBED041 - 用于高效波束成形的新型 PDM 算子

从超声波追踪胎儿心跳到在嘈杂的人群中精确定位声音，声波束形成技术在医疗保健、消费电子技术和公共安全领域发挥着至关重要的作用。波束形成技术可以引导一系列传感器隔离目标声音。虽然增加传感器可以提高性能，但它会显著增加从高度冗余数据中提取空间信息的计算成本，常见算法的复杂度在 O(n^2) 和 O(n^3) 之间，其中 n 是传感器数量。\n\n 先前的研究主要集中在算法和阵列改进上，而本研究提出了一种新颖的方法，可以直接对来自数字麦克风的脉冲密度调制 (PDM) 比特流进行波束形成，以充分利用其高时间分辨率和 1 位量化特性。这些 PDM 算子用简单的逻辑门取代了复杂的多位加法器和乘法器。通过将延迟和求和运算前移并针对 1 位数据进行操作，该方法将复杂度从 O(n^2) 甚至更低降低到 O(1)，并大幅提高效率，同时在可听频率范围内保持无失真音频。\n\n为了验证 PDM 波束成形，我构建了一个 16 麦克风声学成像系统，该系统可实时直接对 256 条同步射线进行波束成形——就像全局快门一样。该系统基于 XC735T FPGA 实现，实现了 4 毫秒的延迟和 0.188° 的角度分辨率，运行速度比实时速度快 300 倍，角度精度比传统波束成形高 33 倍，超越了最初的目标。为了证明硅片的可行性，我基于 Skywater 130nm 工艺将这些算子制作成定制 ASIC。基于这些结果，PDM 波束成形的性能显著优于传统波束成形，可提高工业应用、医学成像等领域的效率和精度，同时降低成本和硬件需求。

EBED045T - 视障人士的人工智能辅助技术

据世界卫生组织统计，全球约有 4300 万人失明，这凸显了辅助技术在应对日常生活挑战方面的重要性。我们的项目旨在通过可穿戴且支持离线的设备部分替代失明，使用户能够在室内外进行定向、安全导航、规避危险、识别和定位物体，并引导用户进行抓握——所有这些都是实时的。为了实现这些目标，我们开发了两款设备：一款专注于定位目标物体并引导用户进行抓握；另一款提供空间定位和导航。\n\n第一款设备集成了 Luxonis OAK-D 立体摄像头，该摄像头在片上运行 YOLOv8 算法，用于物体检测和精确的深度估计，并连接到 Radxa Zero 单板计算机、使用 Vosk 进行本地语音识别、使用 eSpeak 进行语音合成、使用蓝牙耳机进行双向通信，以及四个用于触觉引导的振动触觉马达。测试表明，经过45分钟的训练，用户能够在17秒内（声学反馈）或21秒内（触觉反馈）反复定位并抓取80厘米外的物体。我们还发现物体距离和抓取时间之间存在线性关系。据我们所知，这款设备独具特色，它将离线操作与实时反馈相结合，同时结构紧凑、易于穿戴。\n\n第二款设备目前处于设计阶段，是一款背包式设备，它集成了3D激光雷达的点云数据和物体检测功能，可用于室内/室外定位和导航。下一步计划对该设备进行测试。

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2025 Regeneron ISEF大奖-EBED嵌入式系统获奖作品汇总-2

2026ISEF赛事安排

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年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

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EBED012T - 地理围栏 H2S 无人机

硫化氢 (H2S) 是一种剧毒气体，对石油和天然气行业构成重大健康危害。传统的 H2S 气体泄漏检测方法通常耗时、耗力且危险。本研究提出了一种将无人机技术与地理围栏算法相结合的创新方法，以增强 H2S 气体泄漏检测能力并保障工人安全。配备 H2S 传感器的无人机被派往潜在泄漏点，向中央控制系统提供 4K 实时画面，并通过机载 GPS 标记泄漏位置。地理围栏功能可在检测到的 H2S 浓度周围创建安全边界，配备“毒夹”的工人在接近这些危险区域时，地理围栏机制还会发出预警。

EBED021 - VoltMatrix：模拟计算AI芯片架构

人工智能 (AI) 已成为全球创新的基石。然而，随着下一代大型 AI 模型的蓬勃发展，当前的数字硬件（例如 GPU）面临着严峻的计算瓶颈。这些限制主要源于过高的功耗和散热限制，制约了芯片密度和性能的增长。模拟计算提供了一种极具潜力的高效替代方案，但现有的纯模拟 AI 解决方案（例如忆阻器）存在内存更新缓慢、噪声敏感和制造工艺差异大等问题，限制了其大规模应用。本项目引入了一种新颖的混合模数计算 AI 芯片架构，该架构结合数字控制，从根本上解决了纯模拟计算的挑战：数据存储在移位寄存器中，通过 DAC 和定时器转换为模拟电压和 PWM，并由模拟开关执行乘法运算。该架构已通过数学建模、电路仿真和 PCB 原型验证实验进行了验证。原型结果显示平均乘法误差为 1.7%，比忆阻器低约四倍。在 MNIST 手写数字识别任务中，该原型的准确率高达 94.8%，展现出其实际应用的潜力。此外，我们还使用 Skywater 180nm 工艺设计了一个包含 100 个乘法单元的近制造芯片版图以供验证。该版图在半导体层面进行了仿真，结果表明其功率效率比采用同类半导体工艺的已发表数字设计高出约三倍，精度是忆阻器的两倍。总而言之，该版图提供了一种极具前景的可扩展且高效的解决方案，以满足机器人、交通运输等领域对大型 AI 模型日益增长的需求。

EBED027T - 一种新型基于磁场的无人机探测系统

俄乌冲突表明，光纤控制无人机可以绕过传统的探测系统。雷达无法探测到雷达截面较小的低空目标；射频探测无法抵御不发射信号的光纤控制；光学方法在恶劣条件下也会失效。我们提出了利用电动无人机产生的电磁特征来探测这些难以捉摸的威胁的唯一可行解决方案。\n\n我们的被动探测阵列使用圆形阵列中校准的线圈传感器来识别五个光谱带（75-309 kHz）上无人机特定的频率特征。通过分析不同角度线圈上的感应电压模式，我们可以精确确定无人机的位置。通过快速傅里叶变换 (FFT) 分析，我们发现无人机会产生具有独特振幅关系的特征谐波模式，从而形成“电磁指纹”，无论采用何种通信方式，都能实现识别。\n\n我们的系统采用基于毕奥-萨伐尔定律的物理模型，通过测量感应电压分布的变化，高精度（方位角误差 <0.5%）计算目标距离和方位角。这代表着首次能够有效探测传统系统无法探测到的光纤控制无人机，并且适用于任何电动无人机，无论其尺寸或控制机制如何。\n\n通过工业线圈绕制、高分辨率 ADC 和提高磁导率的铁磁芯，可以扩大探测范围。该系统的无源特性使其能够以最小功率运行，同时不发射辐射，保持无线电静默，同时免受干扰。

EBED032 - 使用边缘 AI 进行早期野火检测

野火响应链中最显著的弱点和脆弱性在于早期检测/反应阶段。野火增长的物理规律是指数级的。任何响应时间的缩短都能带来类似的指数级效益。在这项工作中，我专注于在野火初期进行检测。现有的野火检测技术侧重于检测“火焰”或“烟雾”，而这些在野火发展的早期阶段往往被遮挡或缺失。我开发了一种新型传感器网络，利用透明介质中的折射率梯度来检测小型野火的“热”特征。该系统采用摄像头，并配备互相关滤波器，用于突出显示由热羽流引起的折射光变化所导致的场景差异。然后，这些提取的特征被输入到一个人工智能模型中，该模型使用概率分类来确定检测到的热羽流是否预示着火灾。该系统包含一个张量处理单元 (TPU)，允许在部署后在我们的边缘设备上重新训练一个 50 层的神经网络，从而大大增强了其鲁棒性。在不同距离进行了大量的现场测试，包括火焰长度小于 6 英寸且无法在视线范围内观察到火焰的小火。为了评估在野火初期感知其能力，研究人员点燃了直径小于 ¼ 英寸的真实、完全固化的死燃料。当视频帧率约为 5fps 时，在 300 英尺以内可实现 84% 以上的检测准确率；当帧率约为 50fps 时，在 600 英尺以内可实现 71% 以上的检测准确率。这项研究代表了人工智能野火探测领域的重大进步，并为缩短早期响应时间和减轻野火的破坏性影响提供了良好的机会。

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2026ISEF赛事安排

参赛资格

年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

为了方便同学们更好的备赛，特别整理了ISEF-EBED嵌入式系统2025的获奖作品方便学习

EBED嵌入式系统获奖作品集合

EBED002 - 球形机器人：双摆驱动与控制

本研究展示了一款由双摆机构驱动的球形机器人，该机构可通过改变重心实现全向运动。坚固的 3D 打印外壳和内部驱动系统由 ESP-32 微控制器和先进的伺服/电机算法控制，可实现精确的平衡和方向控制。基于 PID 的控制确保机器人在受到干扰后快速稳定。实验测试验证了该机器人保持平衡、平稳转弯和直线行驶的能力。未来的改进（例如雷达集成）旨在扩展环境测绘和群体行为等功能，使该设计在勘探、监视和救援行动中大有可为。

EBED003 - 真正自主的灌溉网络

为了应对斯里兰卡的粮食危机，家庭和学校园艺应运而生。然而，由于生活节奏快，加上假期无法浇水，定期浇灌这些花园仍然是一项艰巨的挑战。现有的解决方案，例如土壤湿度计和洒水控制器，缺乏互联互通和自我可持续性。即使是更昂贵的智能解决方案，由于许多家庭花园的Wi-Fi覆盖率低，也面临着连接不稳定的问题。此外，大多数解决方案既不具备天气适应性，也不具备故障保护功能。\nRAIN 是一款基于物联网的解决方案，旨在应对这一挑战。它收集土壤湿度数据并将其与阈值进行比较，但不会仅仅根据湿度下降来浇水。相反，它会根据实时天气预报调整浇水计划，从而节省宝贵的水资源。RAIN 还方便用户通过其移动应用程序监控花园、配置设置，甚至进行手动浇水。这款自主、无线电连接、适应天气且节水的智能解决方案集成了太阳能、自学习算法和故障安全机制，确保可靠运行。\n为了评估其有效性，我们分别对两个相同的花坛进行浇水，其中一个使用基于定时器的喷水控制器，另一个则由 RAIN 自主控制。研究人员记录了三个月的用水量，并计算了节水量。RAIN 在雨水最多的月份实现了显著的节水效果，节水率高达 71%，在干旱月份至少达到 39%，平均节水率为 56%。RAIN 浇灌的花坛比其他花坛看起来更健康、更绿意盎然。除了这一成就之外，RAIN 还展现了一个充满希望的商业机会，它单位成本低，并且能为社会做出有意义的贡献。

EBED005 - SubArc：低成本、高分辨率旋转编码器

高分辨率绝对式旋转编码器对于跟踪望远镜、半导体制造、低公差加工和机器人机构等精密应用至关重要。然而，高端编码器价格极其昂贵，分辨率为 20 位至 22 位以上的编码器价格从数百美元到数千美元不等。这些编码器的成本和专有信息壁垒阻碍了独立研究人员、小型机构以及其他预算有限的机构研究、开发和使用精密设备。为了解决这个问题，我们发明了一种新型、低成本、可定制、开源、高分辨率的绝对式磁旋转编码器，其性能和环境稳定性与高成本同类产品相似。最终的工程目标是创建一个基础原型，该原型易于修改以进一步提高分辨率，价格低于 40 美元，具有校准的 20 位分辨率、低于 150 角秒的精度、低于 3 英寸的直径，并能够补偿温度波动和外部磁场。经过多次迭代和调整，最终设计成功实现了 20 位分辨率，并且每刻可检测到 ±10 微特斯拉的变化。与校准编码器相比，其平均精度成功达到 150 角秒以下，精度为 0.0384 度，标准差为 0.0308 度。温度、外部磁场和编码器安装补偿均已成功集成。单位成本为 24.84 美元，直径为 2.17 英寸。最终，高精度机器人技术现已普及，机器人和制造公司可以通过开源、任何个人或实体复制、修改和使用成功的编码器设计，节省数百万美元并降低成本。

EBED011 - 缓解褥疮（压力性溃疡）的新方法

仅在美国，就有超过 250 万人患有褥疮或压力性损伤，其死亡率高于除肺癌以外的任何单一癌症。溃疡会增加医疗保健成本，妨碍患者康复，并影响医院和护理机构的护理质量。预防溃疡仍然是一项挑战：从使用风险评估图表预测溃疡，到检查患者的皮肤，再到定期调整患者的体位和人工记录。为了预测和减轻溃疡的影响，我开发了一个两步解决方案，该解决方案可以集成到电子健康记录系统中，并与患者监测设备一起自动预测溃疡风险。我使用了重症监护医疗信息集市 (MIMIC)-IV 数据集，其中包含 546,028 例住院病例和 65,366 例重症监护病房 (ICU) 住院病例，以建模并自动预测溃疡风险。我将普通病房和ICU病房分开，仅凭基本的实验室值、人口统计数据和合并症，就能在溃疡发生前预测其发生，准确率超过90%。我的系统是一款基于热传感器的非侵入式设备，可以自动跟踪患者体位，所有成本不到130美元。我制作了三个原型，并在当地医院（ICU和普通病房）进行了一项临床研究，我的设备对患者进行了超过150小时的监测。我的监测准确率超过99%，未来我打算将我的设备推向市场，并扩展到疗养院和长期护理机构。

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年龄与年级：9-12年级学生（或同等学历），参赛时年龄不超过20岁。

地区选拔：必须通过附属赛（Affiliated Fair）晋级，无法直接报名。中国学生需先参加国内选拔赛（如青创赛、明天小小科学家等）。

团队项目：最多3人，所有成员需满足资格且共同参赛。

项目要求

原创性：项目必须由学生独立完成，允许在专家指导下进行，但不得代劳。

学科范围：涵盖21个学科类别，包括工程、生物、化学、计算机、环境科学等。

伦理限制：涉及人类、脊椎动物、病原体等研究需提前提交额外审查表（如ISEF Forms）。

关键文件与截止时间

ISEF表格：根据研究类型提交相应表格（如1C、2、3等），需在地区赛前完成审核。

摘要与研究论文：英文撰写，清晰描述研究目的、方法、结论。

地区赛截止：2026年3-4月

其他注意事项

展示材料：展板需符合ISEF尺寸要求（通常宽48英寸、深30英寸、高108英寸），禁止活体样本或危险品。

知识产权：部分研究可能需申请专利后再参赛，避免披露风险。

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EAEV地球与环境科学获奖作品集合

EAEV055 - 盐水管道的耐腐蚀性能

路易斯安那州的管道由多种不同的材料制成，因为它们建造于不同的时期，而当时某些金属的腐蚀状态最为适宜。这些老化的管道可能对社区造成危害，因为某些金属（例如铅）的浸出会渗入供水系统。由于密西西比河海水入侵导致溶解离子含量升高，从而加速腐蚀，管道腐蚀问题日益突出。我们使用三个盐雾箱，在100°F（38°C）的温度下，对三种不同盐度水平对三组不同管道样品（铁、镀锌钢、铜）的影响进行了为期168小时的试验。测试的盐度水平分别为0.0%、2.0%和5.0%。腐蚀过程结束后，使用ISO 8501-1标准（AD）确定锈蚀的目视等级。目视腐蚀最严重的是铁管，等级分别为B、C/D和D（分别为0.0%、2.0%和5.0%）。腐蚀程度最低的是镀锌钢管，等级分别为A、B和A/B；腐蚀程度居中的是铜管，等级分别为B、C和C。因此，可以推断，镀锌钢是最有效的材料，因为它被证明是三者中耐腐蚀性最强的，而铁的耐腐蚀性最差。本次实验也为进一步研究不同材料的耐腐蚀性以及盐度对腐蚀的影响奠定了基础，因为未来可以在实验中引入其他材料和盐度水平。

EAEV057 - 北极保护的图形游戏框架

北极海冰和永久冻土对全球气候平衡和生物地球物理多样性至关重要。最近的CryoSat-2卫星数据显示，冰层厚度正以每十年12.5%的速度减少，比1880年以来全球平均气温上升1℃的基准值额外增加了29%。在此背景下，保护北极冰层对于全球气候稳定至关重要。冰层消耗源于自然和人为压力。然而，目前的第一代基于物理的模型和第二代深度学习方法缺乏一个全面的框架来捕捉两者之间的相互联系，主要侧重于短期冰融化预测。这降低了我们识别有效保护政策的能力，而这些政策源于长期预测。在本研究中，我提出了一个动态图博弈框架，为北极冰预测和保护研究提供一个统一的模型。该框架采用双图结构，并结合博弈论策略更新，在迭代时间段内建立冰演化和人类战略行为之间的循环反馈回路。基于强化学习的策略更新整合了短期影响和长期结果，使模型能够持续调整。当嵌入受IceNet启发的深度学习架构时，该模型的长期预测准确率比IceNet预测提高了25.1%。此外，当利益相关者采用强化学习等前瞻性学习规则来优化策略时，自愿合作将成为主导纳什策略。这种合作成果将北极冰盖每十年的融化率从12.5%降低到4.1%，从而在不诉诸昂贵替代方案的情况下实现了显著的保护。

EAEV058 - 使用多项式模型预测海洋 pCO2

了解二氧化碳分压 (pCO2) 对于评估海洋在全球碳循环中的作用至关重要。然而，目前许多预测二氧化碳分压 (pCO2) 的方法往往基于区域水域的卫星测量数据进行推断，导致预测不准确。常用的变量（例如温度、盐度和叶绿素生物量）并未考虑长期二氧化碳分压趋势或其他影响二氧化碳分压的不可测量因素。本研究引入了一个受泰勒多项式启发的模型，利用温度和时间相关变量来预测二氧化碳分压。该模型的创新之处在于它使用了时间相关变量，这些变量可以捕捉影响特定位置二氧化碳分压的未知且不可测量的季节性因素，同时反映长期二氧化碳分压的增长。来自全球 40 个浮标站的历史温度和二氧化碳分压测量数据为模型训练提供了基础。该模型为复杂的机器学习模型提供了一种可解释的替代方案，能够从高度可变的数据中捕捉到具有平滑曲线的总体二氧化碳分压趋势。该模型能够探测全球范围内独特的pCO2周期性季节性变化，这对于理解可能影响当地产业和海洋生物的pCO2周期至关重要。该模型还能比NOAA的预测提前数年捕捉到pCO2的长期趋势，这对于早期预防海洋酸化至关重要。pCO2预测的R²改进值达到0.27，RMSE改进值达到10.04 µatm，证明了该模型能够识别短期和长期波动。此外，该模型经济高效，因为它依赖于现有数据，避免了复杂机器学习方法的计算成本，并提供平滑、可解释的预测结果，使其成为一种经济实惠且易于操作的pCO2预测解决方案。

EAEV070 - 野火探测的最佳摄像机位置

2024 年，气候变化引发的野火烧毁了美国超过 800 万英亩土地，而我的家乡俄勒冈州则遭遇了有记录以来破坏性最强的野火年，烧毁了 190 万英亩土地，损失超过 3.2 亿美元。这些日益严重的威胁凸显了改进早期探测的必要性。野火监控摄像头提供至关重要的实时监控，但由于安装塔架的限制和可达性问题以及资金问题，目前的摄像头位置可能并非最佳。本研究开发了一个多层感知器 (MLP) 神经网络模型，利用野火风险指数、当地地形和人口密度来预测全州摄像头放置的有效性。该模型为每个位置分配一个概率分数，表明其在早期野火探测中的潜在适用性。在总共 737 个位置中，随机选择了 289 个进行训练和测试。该模型在识别无摄像头地点方面的准确率达到 99%，在预测训练和测试子集中实际摄像头位置方面的准确率达到 70%。对俄勒冈州109个现有摄像头站点的评估显示，几乎所有站点都位于概率（>0%）的区域，其中6.5%的站点位于高概率区域（>90%）。该模型随后用于评估全州628个未来可能部署的摄像头站点。结果确定了199个适用性（>90%）的站点，这些站点现在可以安装摄像头以达到最佳效果。该模型为各机构和立法者提供了一个数据驱动的框架，以优化摄像头部署政策，并提升俄勒冈州的野火探测能力。此外，此类数学模型将实现高投资回报率，从而最大限度地利用资源，同时最大限度地降低成本，实现主动而非被动。

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