赛事动态 - 第 7 页 - Regeneron ISEF 国际科学与工程大奖赛

Regeneron ISEF 2025 大奖：ANIM021 - 生物创新海绵可减少螃蟹同类相食

本研究旨在提高蓝梭子蟹幼体在放归自然栖息地前的存活率，从而减少对环境的影响。蓝梭子蟹（Portunus pelagicus）在海洋生态系统中发挥着至关重要的作用，泰国对其进行人工养殖以增加其种群数量。然而，由于庇护所不足、食物匮乏以及不适宜的自然环境条件，导致同类相食，蓝梭子蟹的存活率仍然极低，仅为1%。海水温度上升进一步威胁着幼体的存活。我们研究了攻击性因素，重点关注自然环境条件和庇护所的可用性。研究考察了光的颜色（红、绿、蓝、白）和光强（<1,000、1,000、2,200、3,000 勒克斯），其中1,000 勒克斯红光下的存活率最高，为22%。一种生物创新海绵由研磨贻贝壳与聚乳酸混合而成，其孔隙结构的设计灵感源自黄管海绵、维纳斯花篮海绵和红海龟海绵。优化的生物材料混合物配比被挤压成功能性细丝。最合适的孔隙结构（红海龟海绵）和色素沉着（蓝色）显示出最高的成活率，为33%。当应用于蟹塘时，这些海绵在七天内将成活率提高到35.9%，比对照组高出1.5倍。研究人员使用深度学习YOLO算法，对3000多张图像分析了攻击性水平和成活率，准确率达到92%。研究结果证实，生物塑料海绵可以增加庇护所的可用性，减轻压力，提高成活率，使更多的远洋对虾（P. pelagicus pelagicus）被释放到自然栖息地。这项水产养殖创新支持远洋对虾种群恢复、可持续保护和长期海洋生态系统平衡。

Regeneron ISEF 2025 大奖：ANIM016 - 利用蚂蚁处理食物垃圾分解

蚂蚁能够帮助种子传播和清道夫，是我们生态系统中经常被忽视的基础部分。事实上，根据《动物生态学杂志》的报道，蚂蚁贡献了森林中超过 61% 的清道夫。由于蚂蚁具有出色的分解能力，本研究旨在利用蚂蚁来对抗食物垃圾和城市固体废物 (MSW) 填埋场的甲烷排放。在气候变化迅速改变全球气候的当今世界，这项研究至关重要。在这项研究中，一种由蚂蚁组成的新型好氧消化器成功地将食物垃圾分解成肥沃的堆肥，并利用产生的沼气发电。通过微量给药和测试不同属蚂蚁物种的代谢率，确定分解食物垃圾能力最强的物种是 C. castaneus 蚂蚁。研究人员利用C. castaneus蚂蚁开发了一个计算模型，结果表明，仅需每人43,000只C. castaneus蚂蚁参与消化系统中的食物垃圾分解，就能减少20%的甲烷排放，这为实现可持续的未来提供了一个可行的解决方案。随后，研究人员将这些蚂蚁应用于好氧消化器的设计中，以测试原型的效率。该消化器设计的平均效率高达83.333%。蚂蚁拥有通过改变全球食物垃圾管理方式，大幅减缓气候变化的力量。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：ANIM026 - 猛禽小队的静默飞行

猫头鹰的翅膀堪称机械奇迹，专为静音飞行而设计。每根羽毛的后缘都有后缘流苏，这对于减少空气涡流至关重要，从而显著降低飞行噪音。关于后缘流苏的研究主要集中在其工作原理上，而不是鸟类的后缘。本项目旨在回答以下问题：流苏的存在和长度是基于系统发育（与谁有亲缘关系）还是生态学（特别是狩猎行为）？为了解答这个问题，研究人员测量了各种猛禽的翅膀样本。他们在每个翅膀的几根羽毛上取五个点进行流苏测量，以确定流苏长度。数据显示，流苏长度与生态学的相关性高于与系统发育的相关性。例如，巴菲渔鸮。这种猫头鹰与大角鸮关系密切；然而，它们的流苏长度更接近鱼鹰（另一种捕食鱼类的鸟类）。因此，生态环境，尤其是狩猎习惯，而非系统发育，似乎是决定鸟类是否拥有流苏的最大因素。这项研究揭示了猛禽流苏存在和无声飞行背后更复杂的因素。进一步的研究将探索像巴菲渔鸮这样的猫头鹰失去流苏是否会对流苏的进化造成损害。无声飞行对工程学也具有深远的影响。了解如何使风车和飞机等我们的发明变得安静，有助于减少噪音污染及其对原生栖息地的影响。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：ANIM013T-巨型水虫增强

由于环境变化、杀虫剂使用和栖息地破坏，食用昆虫大田鳖（Lethocerus indicus）的数量正在下降。本研究旨在确定最佳饲养条件和喂养策略，以实现高效养殖，从而提高田鳖产量。实地调查显示，大田鳖是泰国最常见的物种，生命周期为 73-83 天。最佳养殖比例为 1 雌 1 雄，但面临的挑战包括存活率低、同类相食以及有利于雌性的性别比例不一致。我们构建了人工智能辅助形态学分析，以增强性别分化，最大限度地减少养殖效率低下。环境因素影响养殖成果。雨季（30-35◦C、70-80% 相对湿度、250-600 毫米降雨量）有利于更高的生长、产卵和存活率。在炎热季节，雄性后代更为普遍。为了解决虾苗和蝌蚪等天然饲料成本高、寿命短等问题，我们开发了一种含有鱼内脏残留物的饲料。我们将鱼内脏塞入猪肠内，并绑成约3厘米的大小，以模仿这种昆虫通过细长的口器吸食食物的自然捕食和进食习惯。在受控环境下，食用开发饲料的雄虫体内，其生长所需的必需氨基酸和脂质以及关键气味化合物的含量均高于市售昆虫。饲料配方被制成凝胶状，以延长保质期，并方便农民使用。这些创新可以促进商业化养殖，并鼓励生产高营养价值的文化食品。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：ANIM034 - 果蝇模型中的饮食和结直肠癌

目前，50 岁以下患者的早发性结直肠癌 (EOCRC) 占新诊断病例的 10%。虽然原因不明，但 EOCRC 的发病趋势可能与饮食有关。29% 的结直肠癌病例与饮食有关，饮食可影响癌症信号通路，包括 Wnt/Wingless 信号通路。本研究比较了高脂和高纤饮食对转基因 Apc1/Apc2-RasV12 果蝇结直肠癌模型中寿命、肿瘤负荷和 Wnt 信号通路的影响。预期高脂饮食的果蝇寿命较短、肿瘤较多、Wnt 信号通路增强，而高纤饮食的果蝇则会出现相反的结果。将荷瘤果蝇置于添加了 10% 椰子油或 10% 洋车前子壳的 Formula 4-24 标准培养基中。利用荧光显微镜对解剖的中肠中GFP标记的肿瘤克隆细胞进行测量，以测量肿瘤负荷。通过对Wnt靶基因转录的辅助因子Armadillo (Arm)进行免疫染色，评估Wnt信号活性。数据表明，与对照组相比，高脂和高纤饮食均与随时间推移的生存概率降低相关（p < 0.05）。高脂样本的肿瘤数量似乎比对照组多，而高纤样本的肿瘤数量似乎较少。观察到Arm免疫染色与GFP表达之间存在一定的共定位。这些结果支持饮食在上升的EOCRC发病率中的作用，并为CRC患者的饮食干预提供了证据。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：CBIO033 - miRNA在肺癌检测中的应用

迄今为止，表达水平高度失调的microRNA (miRNA) 一直是疾病特异性生物标志物研究的重点。然而，miRNA 与其靶基因之间复杂的调控机制 [4,6]，以及目前尚无一个普遍认可的框架来设定倍数变化 (FC) 阈值以判断失调，这表明中等失调水平的 miRNA 可能仍包含具有临床价值的信息。因此，本研究验证了“低失调水平的 miRNA 可为肺癌 (LC) 诊断提供有用信息”这一假设。为此，我们构建了一个包含阳性组（LC 存在）和阴性组（LC 缺失）完整 miRNA 谱的数据集。将具有统计学意义的 miRNA FC 值分为三个失调范围，如下所示：高（HD）FC <= 0.5 或 FC >= 2.0，中等（MD）FC 在（0.5,0.9] 或 [1.1,2.0）之间，以及不显著（ND）FC 在（0.9,1.1）之间。使用 miRNA 表达水平作为特征，并在每个分类器中选择最具鉴别力的 50 个特征，构建用于 LC 诊断的随机森林二元分类器，三个 FC 范围各一个，产生以下分类准确率：（HD）高 99%，（MD）低 99%，（ND）92%。此外，基于为 HD 和 MD 类别分类器挑选的 100 个 miRNA 池，使用 K 均值聚类来分析这些 miRNA 的选定序列属性，以了解它们之间的关系。该聚类模型取得了最佳性能（基于惯性拐点），n值为31，表明所选miRNA之间存在跨类别序列相似性以及独特的、新颖的MD聚类。\n（有关引用的参考文献，请参阅研究计划。）

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Regeneron ISEF 2025 大奖：PHYS009T - 关于反气泡的新见解

简而言之，反气泡是与肥皂泡相反的物质。它们内部由近乎球形的流体构成，并与周围的流体（通常是相同的流体）隔着一层薄薄的空气。由于这种结构，反气泡展现出一些有趣的物理特性，这些特性可以通过相当简单的方法进行研究。\n作为我们项目的一部分，我们使用一套可重复的实验装置来研究这些气泡的一些特性。在此过程中，我们也探索了一些此前未曾探索过的问题，并在此研究领域取得了新的成果。\n在我们的研究中，我们使用所谓的“吸管法”来生成反气泡。我们通过改造一台3D打印机，实现了这一生产方法的完全自动化。视频片段最初是使用“追踪器”手动分析的。后来，我们能够使用 Python 实现评估的自动化。\n我们的论文描述了反气泡的光学特性，并根据所需重力能量的下限分析了生成反气泡的最佳参数。\n此外，我们首次观察到了反气泡的振荡，它包含两个反相的衰减振荡，其频率取决于气泡的大小。我们还研究了反气泡的直径和下沉深度与形成参数的关系。\n通过考虑反气泡运动的力，我们开发了一种基于反气泡与周围液体密度差来计算空气层平均厚度的新方法。通过使用已知密度的木球，我们能够测试并验证我们的方法。\n因此，我们的研究在反气泡领域取得了新的发现。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：TMED078 - 抗体鸡尾酒疗法诊断胰腺癌

胰腺癌因其侵袭性和高致死率而被誉为“癌症之王”。虽然其发病率位居美国第九，但它却是第四大癌症死亡原因，预计到 2030 年将成为美国第二大癌症死亡原因。一个主要问题是诊断晚。在 I 期，五年生存率可达 84%，但如果在 IV 期确诊，生存率则会急剧下降至 3%。由于早期诊断是战胜胰腺癌的关键，我开发了一种新的胰腺癌诊断方法，可以从血浆中分离胰腺癌特异性细胞外囊泡 (EVs)，从而只需抽血即可检测癌症突变。癌细胞即使在早期也会释放 EVs，并且 EV-DNA 包含与原始细胞相同的突变。为了分离胰腺癌特异性 EVs，我通过文献检索确定了 3 种胰腺癌特异性表面抗原。将针对这些抗原的抗体混合物与磁性纳米珠结合，从血浆中分离胰腺癌衍生的EVs。然后使用液滴数字聚合酶链式反应（ddPCR）对纯化的EV-DNA进行KRAS突变分析，KRAS突变是胰腺癌的驱动突变。在23名胰腺癌患者和10名健康捐赠者的队列中，所有患者和1名健康捐赠者均检测到了KRAS突变。整体检测达到了100%的灵敏度、90%的特异性和91.3%的鉴别率。相比之下，使用目前的行业标准方法，在相同的23个患者样本中只有17个被检测到癌症。这项研究开发了一种从血浆中高灵敏度检测胰腺癌的新方法。进一步的改进和大规模临床试验可以推动该技术走向临床，用于早期诊断和实时治疗监测。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：MATS025 - LuminaSand：SiO₂ 中的激光诱导光电流

通信、传感和显示技术对光电器件的日益依赖，推动了人们对经济高效、可扩展且高效的替代材料的探索。传统的光电材料，例如砷化镓和氧化铟锡，面临着资源稀缺、生产成本高昂和环境问题等挑战。本研究探索了一种简单的替代方法，通过激光引发的快速退火和淬火，制备用于光电应用的硅碳纳米管 (SiCNT) 基复合材料。这种位点特异性激光处理工艺可在紫外激发下诱导局部悬浮的 SiCNT 结构和青色荧光。通过比较常温激光处理和真空激光处理，发现氧缺陷可能是导致观察到青色荧光的原因。这种激光转化的复合材料的电导率与原始状态相比提高了约 82,000 倍。器件测试进一步阐明了其有效产生光电流的能力，尤其是在 532 nm 单色激光下。这项工作凸显了 SiCNT 复合材料快速激光引发转变作为经济且可扩展的光电材料的潜力，为未来的技术应用提供了一种有希望的替代方案。

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Regeneron ISEF 2025 大奖：ENEV001 - 使用 Fe-TiO2 的甲醛检测仪和清洁剂

鉴于甲醛在环境中（尤其是在室内）的普遍存在及其对健康的重大风险，本研究提出了一种经济高效、尺寸灵活的集成系统，利用新型Fe-TiO₂光催化剂实时监测并高效催化痕量甲醛。该单纳米颗粒光催化剂通过水热反应和高温煅烧合成。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）进行形貌表征，并通过X射线光电子能谱仪（XPS）、X射线衍射仪（XRD）、紫外可见光（UV-Vis）进行光谱表征，证实了该材料具有较高的表面积体积比、结晶度和均匀性，从而增强了材料的催化和电化学反应活性。改进的电化学传感器表现出高电导率和对低浓度甲醛的灵敏度，检测限为10⁻⁷M。与其他催化剂相比，Fe-TiOₓ纳米复合材料展现出卓越的光催化性能，6小时内甲醛去除率达80.0%，18小时内达89.2%，优于TiO₂、Fe-MOF、Cu-MOF和Co-MOF。三次运行的稳定性测试表明，其性能稳定，效率略有下降，彰显了其长期使用的可靠性。通过将检测和修复功能集成到一个设备中，本研究提供了一种数字化、便携式的室内空气质量管理解决方案，具有实时监测和高效催化功能。该方法克服了传统方法的局限性，拓展了其在住宅和商业环境中的应用。

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