餐桌上的仿生科技

-仿生農業灌溉系統之研究

桃園中山國小專題研究

學習歷程檔案

林子甯、蔡沂晅、陳語彤、吳安捷、李宓謙

4/10石門國中競賽現場影片

桃園區專題研究競賽影片

一起觀看蘋果派思小朋友的比賽現場影片..

榮獲佳作的作品: 餐桌上的仿生科技-仿生農業灌溉系統之研究

桃園專題研究比賽，今年題目是食農教育比賽的隊伍看編號知道有三十多隊，最後九隊進入決賽。

孩子們其實從小在蘋果派思就一直都在做專案探索，這次參加比賽其實我想了很久，希望孩子們能樂在探索，參加比賽有了得名的壓力，會不會失去學習的動機呢？

於是我跟孩子們討論了一陣子，孩子們自己堅定的決定要參加，而且是全體四到六年級都願意組隊參加。過程中我們以孩子的學習機會為優先，並沒有因為要得名而急著幫忙。花很多時間碰撞摸索。

過程是很辛苦的，四年級的孩子們也因為年紀較小沒有給太大的壓力，所以沒有進入決賽，孩子們也不氣餒說自己比五六年級的學姐們年輕還很有機會。

五六年級這組得知自己入選決賽，孩子們更更積極，自動自發花自己課餘放假的時間製作看板模型積極練習報告。

到了比賽這天，孩子們比我們都緊張，在現場看到許多老師很緊張的帶孩子演練，還有當場生氣唸孩子的。我們的孩子反而是老師一直要她們休息一下放輕鬆就好，我也一直說妳們在我心中已經是第一名了，就開心的享受比賽的過程吧。但孩子們還是一直自主練習直到比賽前最後一刻。到現在成績也還沒公佈，孩子們從回到蘋果派思每隔一段時間就跑來問名次出來了沒。

其實孩子們別在意啊，我看見妳們都已經是最棒的自己啦，在教練們和學校指導老師的心中妳們早已是特優啦！無論結果如何，我只希望你們一直保持著這樣濃烈的求知慾和樂在學習、樂在挑戰、開心地不斷突破自己！這就是最好的獎項了！

4/10 結束了這趟旅程，未完待續

孩子這次最大的收穫，不是名次而是自我肯定。

在學習的路上，要把目標放在更遠的地方，那就是一種"勝利"，也是"成長"。

4/10 決賽，終於完成了這次的專題研究，總算可以休息了。

孩子們。從比賽會場出來，看似輕鬆的步伐，卻也顯得有些疲憊。

每個人都露出微笑，看著教練說: 過關囉!

看著孩子們專注的眼神，也看到了不一樣的風景，這是最美的孩子，棒。

4/10決賽最後的自我練習

什麼是學習的價值?

經過這次的專題研究競賽，最後的成績不盡理想，致此孩子們的心情依舊處在低潮久久無法釋懷。這次成績出來後，我在課堂上試問參賽的學生，「你認真過嗎?你為了這次的競賽付出過努力嗎?」如果你真的認真過，你會很快地忘記"失敗"所帶來的痛苦。記得一個作家評審曾說過的一句話:「一個作家認真寫，而失敗;與隨便寫，而失敗。那是不同意義與不同價值的。」就像考試一樣，認真準備而考壞了;與沒有準備而考壞了，這是不同的意義。親愛的朋友，我不知道你正在經歷生命中的哪一個階段，也許你不會知道你現在正在做的事情會不會成功，但請你一定要認真，因為《認真不會背叛你》，即使失敗，你再回頭看都會是有價值的。人生需要「失敗」來當作養分灌溉我們更長遠的未來，期許蘋果派思的小朋友，都能夠秉持著『認真的態度』去面對每一個挑戰，縱使失敗了，那也會是【最有價值的學習】。

4/10 決賽最後一擊

孩子們的努力終於來到這一天，大家團隊合作齊心擊掌準備迎戰

專題研究_決賽報告_餐桌上的仿生科技(仿生農業灌溉系統)_正式.pptx

4/10 專題研究比賽

13:20

進行口頭報告 10分鐘+評審提問10分鐘

Q&A:

問題:(1)你們為什麼要結合仿生術?

(2)在未來延伸發展上，請問AI監控可以怎麼應用?

(1)表現沉穩

(2)沉著應戰

(3)評審給予正面評價與建議

(4)孩子們都能應答自如

4/9決賽前預演9分40秒

上屆參賽的王老師專程來經驗分享:

1.一定不可以吵架(在評審前)

2.一定不可以超過10分鐘，時間一到就結束了。

3.一定不可以緊張，要放輕鬆，要享受比賽帶來的快樂

4.一定要上廁所、早餐盡量吃安全的食物

5.制服要一致，不要提醒隊友說錯了

安捷講解:土壤壓實作用

宓謙講解:水資源現況

聽講同學發問

子甯講解:魚骨圖總結

指導老師:分享與鼓勵

沂晅:講解仿生農業灌溉系統

第三次專題研究報告預演(4/7)

子甯:30秒說明動機目的+1分鐘說明計畫

宓謙:45秒說明水資源概況

安捷:90秒說明農業灌溉+土壤壓實作用

沂晅:2分鐘說明農業灌溉系統

宓謙:說明45秒"缺乏系統性"

子甯:1分鐘說明結論與建議

#3/29(五)第二次預演

今天針對進場順序與走位進行排練

1.子甯串場 (說明專案計畫與逐一指揮進場)

2.宓謙說明水資源現況+魚骨圖向右(灌溉問題)

3.安捷說明農業灌溉問題與土壤壓實作用

4.語彤說明"仿生術"與為什麼運用仿生術+農業灌溉?

5.沂晅:說明仿生農業灌溉系統運作

6.子甯:結尾說明研究結論與建議

這次的時間:12~15分 (已經超過)

李宓謙:介紹石農教育的觀念

專題研究摘要：

我們在探討『仿生農業灌溉』作為一種新興的農業技術，透過模仿自然生態系統的原理與人體循環系統的機制，提升農業生產效率與永續發展。根據聯合國永續發展目標 SDGs 目標15是「保育及永我們在探討『仿生農業灌溉』作為一種新興的農業技術，透過模仿自然生態系統的原理與人體循環系統的機制，提升農業生產效率與永續發展。根據聯合國永續發展目標 SDGs 目標15是「保育及永續利用陸域生態系，確保生物多樣性並防止土地劣化」，這個目標的宗旨就是要全人類都能在健康的土地上種出可以吃得健康與安全的農作物，並且減少農業灌溉造成水資源的浪費的問題，這是我們這次專題研究想要研究的動機與目的。[1]

土壤在孕育生命中扮演一個很重要的角色, 農作物所需的養份大部分來自於土壤，因此土壤的結構組成與生態會對農作物的生長造成關鍵的影響。為了能夠了解什麼是「好的土壤」，我們準備進行關於食農教育中運用仿生農法的研究，透過這次的專題研究成果可以讓安全的農業灌溉系統推廣給更多農夫，以種出更多「安全的農作物」。[2]

隨著全球人口的不斷增長和氣候變化的影響，傳統的農業灌溉方式面臨著許多挑戰，根據農業部農田水利處鄭友誠的報告指出，「自民國 91 年以來，旱災頻傳，已辦理過 6 次大規模休耕停灌作業以因應乾旱」，包括水資源浪費、土壤侵蝕和能源消耗等問題。仿生農業灌溉通過模仿自然生態系統中水的運動和分配方式，以及應用先進的技術和設備，為農業生產提供了新的解決方案。[3]

一、研究背景

水資源浪費是全球面臨的一個重要問題[4]，特別是在農業灌溉中。以下是一些關於水資源浪費問題的資料，關於全球水資源浪費情況，根據聯合國糧食及農業組織（FAO）的數據，全球有超過70%的淡水被用於農業灌溉，而農業灌溉中有20%至50%的水被認為是浪費的。這是因為許多灌溉系統存在效率低下的問題，如滴灌和微灌技術被廣泛應用以減少浪費。全球水資源平衡正面臨壓力。江河和含水層中的內部可再生水資源 (IRWRs) 為44000 立方千米/年，而取用量（所有部門）超過4000立方千米/年，占內部可再生水資源總量近 10%。水資源物理短缺和淡水污染產生的局部影響正在擴大和加速。很多情況下，由於取用量加大而造成的缺水早期徵兆就是地下水位下降。[14]

在面臨高水資源壓力的國家裡，農業是導致水資源短缺的主要用水部門。在中亞、中東及西亞以及北非，農業取水量在總取水量中占比較高（圖1）。農業取水導致的水資源壓力已使阿拉伯半島和南亞的尼羅河及其他江河流域處於臨界狀態。結合各灌溉區的具體分佈看，這些影響一目了然。

負責人:林子甯整理並製作電子書

■會議日期:2023/12/6(點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明: 已經在12/6完成這次專題研究的報名資料上傳

■問題研討:

本日問題: 討論這個專題研究的動機?

■小組發言:

沂晅說:因為我想推廣食農教育讓大家了解，並且讓大家會更

愛護地球

宓謙說:為了想要更了解何謂食農

語彤說:我覺得這個題目很有趣，並且想要了解更多知識

安捷說: 我是因為在某次的夏令營裡認識了食教育，並且我也想要再深入研討所以就參加了比賽。

■會議結論:觀看專題研究製作要領指導影片，並且討論本次專案製作大綱。

林子甯說明灌溉效率：

灌溉效率是衡量灌溉系統使用水的有效性的指標。根據世界銀行的數據，許多發展中國家的灌溉效率相對較低，部分原因是由於過時的灌溉基礎設施和管理不善所致。提高灌溉效率可以減少水資源的浪費。

吳安捷說明地區性案例：

在一些地區，特別是乾旱地區，農業灌溉對於水資源的浪費更為嚴重。例如，美國西部地區的農業灌溉面臨著嚴重的水資源壓力，部分是由於過度使用地下水和無效的灌溉系統所導致。

陳語彤說明氣候變化影響：

氣候變化也加劇了水資源的浪費問題。極端氣候事件，如乾旱和洪水，使農業灌溉更加不穩定，導致水資源的更大浪費。

蔡沂晅說明解決方案：

針對水資源浪費問題，許多解決方案被提出，包括更新和改進現有的灌溉系統、推廣節水農業技術、提高農民對水資源管理的意識以及加強政府的監管和政策支持等。

■會議日期:2023/12/13

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明: 和老師一起認識食農教育，觀看youtube有關食農教育解說影片。

■問題研討:

本日問題:

(1)認識食農教育?

(2)老師要求我們完成一份"食農教育"的報告。

■小組發言:

沂晅說:是運用教育方法讓國民瞭解國民基本農業生產、農產加工、友善環境、友善生產育養及畜牧、動物福利、食物選擇、餐飲製備知能及實踐、剩食處理，增進飲食、環境與農業等等的連結性，促使大家重視食物和農業的重要性。

■會議結論:完成一份關於"食農教育"的報告，並且同學輪流上台報告介紹食農教育，並確定大家都了解食農教育要傳達的精神。

二、研究目的與方法

我們在專題研究中探討『仿生農業灌溉』，透過模仿自然生態系統的原理與人體循環系統的機制，以提升土壤活性並且節省水資源。根據聯合國永續發展目標 SDGs 目標15是「保育及永續利用陸域生態系，確保生物多樣性並防止土地劣化」，這個目標的宗旨就是要全人類都能在健康的土地上種出可以吃得健康與安全的農作物，並且減少農業灌溉造成水資源的浪費的問題，這是我們這次專題研究想要研究的動機與目的。

本文首先介紹了傳統農業灌溉方式存在的問題，然後闡述了仿生農業灌溉的基本概念和原理。接著，通過個案研究和實證分析，探討了仿生農業灌溉在不同地區和不同作物上的應用效果。最後，針對仿生農業灌溉的優勢和挑戰，提出了相應的政策建議和未來發展方向，以促進其在農業生產中的廣泛應用。

研究方法中的訪談是一種正式的方法，為了回答研究問題而用的一種資料蒐集方法與技術[17]，這次的專題研究中，我們採用了訪談法與模型實作，我們將進行問卷設計與模型實作，進一步歸納出可以實現我們的研究目的的結論。

負責人:林子甯整理並製作電子書

■會議日期:2023/12/20(點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

■問題研討:

(1)確認最後要進行研究的專題題目?

題目: 餐桌上的仿生科技-仿生農灌溉之研究

(2)蒐集關於這個研究問題的"關鍵字"?

■小組發言:

沂晅: 可以找"食農教育"和"有機農業"的部分

子甯: 我覺得土壤很重要，可以朝這個方向尋找

語彤: 我之前有聽過"仿生術"，可以試看看，大家覺得如何?

宓謙: 我建議找"有機農業"，應該可以找到很多

安捷: 我們可以把大家的關鍵字，先在網路上查查看有沒有相關資料

■會議結論:

1.經過全組討論同意以"餐桌上的仿生科技-仿生農灌溉之研究"作為這次的專題研究的題目。

2.經過討論蒐集了以下關於這個題目要蒐集的關鍵字，包括: 食農教育、有機農業、土壤、農業灌溉、仿生

台灣是世界排名第十八位的缺水國家。在一般人的印象裡，台灣地區平均每年有二千多毫米的雨量，應該是水資源不虞匱乏的國家；但是因為台灣地區地狹人稠、山坡陡峭、雨勢集中，再加上河川短促，所以大部分的雨水都迅速地流入海洋。

根據經濟部水利署 97-101 年用水統計資料，全臺年總用水量平均為 177.3 億噸，其中農業用水有 128.6 億噸（占 72.5% ）、生活用水 32.8 億噸（ 18.5% ）、工業用水 15.9 億噸（ 9.0% ）；而農業用水包含了灌溉用水 115.6 億噸、養殖用水 12.2 億噸及畜牧用水 0.8 億噸，如圖2 所示。雖然農業灌溉用水量佔占總用水量的 65% ，但水源來自供水穩定之水庫僅占約 1 成， 8 成以上的水源為河川攔水，其受豐枯季節影響而極為不穩定，且部分區域水質不佳，因此除農業灌溉用外，實不易為民生與工業使用。

根據台灣永續能源研究基金會的一項調查，台灣民眾普遍認為工業用水量最高佔65%，其次為生活用水、農業用水。但根據實際的用水量統計，國內總用水量以農業用水最高、占七成，生活用水占兩成、工業用水一成，顯示民眾對於我國用水情形認識有落差。然而，農業用水也是影響著台灣整體水資源的重要關鍵因素。[7]

負責人:李宓謙整理

■會議日期:2023/12/27

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.完成專題擬定

2.完成次專題擬稿

■問題研討:

(1)專案資料櫃和資料夾要放甚麼?

(2)大概要借哪種類型的書呢?

■小組發言:

語彤說:因該是放資料和書籍吧!

沂晅說:還有筆記也可以放在裡面

安捷說:要把資料全部放在裡面

語彤說:應該是食農教育的書吧!

安捷說:應該是仿生科技把!

子甯說:我們可以查活性化土壤，因為有包含到食農教育和仿生的範圍

■會議結論:

1.規劃農夫體驗與進行農夫訪問的工作

2.完成相關書籍的借閱

3.要製作閱讀心得重點筆記

臺灣位於東亞沿岸﹐擁有特殊的地形及地理位置﹐故氣候變化豐富﹐雖降雨豐沛卻易發生乾旱。主因降雨季節性及地域性差異大﹐集中夏秋季節﹐水資源時空分布的比例懸殊；又地形陡峻﹐導致雨水逕流短時間內即流入海洋﹐水資源蓄存利用困難﹐更顯得水資源在臺灣的重要及珍貴性。農田水利署2022年針對灌溉節水的研究顯示，實施水稻休耕相較於轉作可以節省更多灌溉用水。[10]所謂"旱作農業"，指在土壤含水量有限，大約年降雨量於500mm以下的地區不灌溉而進行耕作。水利署統計臺灣地區農業灌溉年平均用水量約占總用水量之 6～7 成，如果改以旱作方式灌溉，依旱作灌溉試驗研究﹐證明旱作灌溉之效益並不低於水稻﹐單位水量之灌溉效益高於水稻﹐尤以乾旱季節或偏遠缺水地區更加顯著。臺灣的旱作灌溉屬補給灌溉﹐可以少量的灌溉用水而獲高產量及良好品質。

負責人:吳安捷整理

針對旱作灌溉方法，以下整理兩種灌溉方法，地表與管路:[9]

一、地表灌溉

旱作灌溉最早為人工挑水澆灌的地表灌溉方法﹐後有畦間溝灌與田埂漫灌﹐以中南部輪作田為主﹐配合稻田轉作﹐能使既存的水田灌溉水路系統活用﹐地表灌溉適用性相當高。從地形與土

壤條件而言﹐需有平順坡度或平坦田區、土壤滲透性不大的地區才易實施。大多數旱田或水源較短缺之地區﹐其地表灌溉之水利用效率﹐無法維持太高。

二、管路灌溉

管路灌溉對於灌溉標的作物可於必要的時期給予必要的水量﹐故能節省灌溉用水﹐減輕灌溉勞力﹐提高灌溉效果。這種灌溉方法水量係透過管路輸送﹐在動力設施的配合下﹐可適用於平坦地形及起伏不平的土地﹐目前在蔬菜、果樹、雜作等已廣泛應用。管路器材與灌溉技術之發展與時俱進﹐日趨普遍﹐比地表灌溉方法更省力地進行水分補給灌溉與病蟲害防除等管理作業。依灌溉器材之使用目的﹐所採用進口或國產的噴灑器具﹐其大小與構造呈現多樣化﹐而器材改良與研發繼不斷地進行中。定置式管路灌溉系統如穿孔管、微噴、噴灌及滴灌等適合小面積田區與需要集約管理之作物﹐具有節省用水量與動力費少等優點。

■會議日期:2023/1/3(點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.針對上次一日農夫體驗進行心得分享與整理

■問題研討:

(1)請問有參加一日農夫體驗的請分享心得?

參加者:林子甯、陳語彤、蔡沂晅、吳安捷等四人參加一日農夫體驗，除了了解農村生活與文化也發現了許多農夫辛苦耕種的一面，這次活動裡，四位組員參加了農事體驗:插秧。

■小組發言:

語彤說:這次的體驗我們有看到牛，也發現了水田，需要大量的水資源去灌溉稻米!

沂晅說:插秧的時候，彎腰才發現農夫辛苦的地方

安捷說:那次的體驗裡我們有發現水裡的泥土幾乎都被水淹沒了，那是傳統的農業灌溉需要大量的水資源

語彤說:那次的插秧活動讓我覺得當一個農夫很不容易

子甯說:我們要來想一想，是否可以改善農業灌溉的方法，避免水資源的浪費。

■會議結論:

1.規劃農夫訪問的工作，包括問卷設計

2.完成相關書籍的借閱

3.要製作閱讀心得重點筆記

三、仿生農業的概念

仿生農業的誕生促使人們反思，是否可以用最少資源、最少汙染去生產高品質的農產品，這是仿生農業設計漸漸取代傳統農業的概念形成。方煒教授指出，以人工光型植物工廠進行人工控制、溫度、濕度來生產作物，讓營養液和水資源可以達到循環使用，不僅對環境造成汙染較低，在用水灌溉這方面也能降低用水量，在室內植物栽種與相同農作物比較之下，用水量可以節省3%，處此之外，因為蔬菜是在環境乾淨下種植，可以讓蔬菜直接食用，進一步達到節省過多用水洗菜的水資源。 [5]

仿生農業灌溉是一種基於仿生學原理設計的灌溉系統，目的在模仿自然生態系統中水的運動和分配方式，以提高水資源利用效率並減少浪費。以下是一些與仿生農業灌溉相關的資料：負責人: 陳語彤整理

■會議日期:2023/1/10(點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.針對參加農業灌溉造成的水資源問題討論

2.完成水資源資料的重點整理與文獻整理

■問題研討:

(1)全球水資源問題討論?

(2)台灣水資源問題的影響?

■小組發言:

語彤說:在面臨高水資源壓力的國家裡，農業是導致水資源短缺的主要用水部門。資料來源:聯合國糧農組織和聯合國水機制這份報告裡提到各國水資源所面臨的壓力。

沂晅說:台灣是世界排名第十八位的缺水國家。民眾對於我國用水情形認識有落差，大家都認為是工業用水比較高，但實際上是農業用水佔了7成。資料來源:今周刊", 2023-03-28一篇報到說明了這個認知的落差。

安捷說:如果我們研究農業灌溉，我們要先認識灌溉的方式有哪些?

語彤說:我知道有哪些?廖國淳這位作者有寫到關於灌溉的種類，主要分地表灌溉、管線灌溉。資料來源:農田水利期刊第69卷第11期”,2023年3月

子甯說:既然台灣缺水，我們應該把食農教育的重點放在農業灌溉對於水資源有哪些改良的方法。

■會議結論:

1.朝向仿生科技研究與資料蒐集

2.規劃如何了解仿生科技的內容，我們計畫參加"蘋果派思"所舉辦的課程:我是仿生設計師

3.要製作閱讀"水資源與農業灌溉"的閱讀心得重點筆記

基本概念：

仿生農業灌溉是將自然生態系統中的水循環和生物適應性原則應用於農業灌溉系統中的一種新型灌溉技術。其設計理念是模仿自然界中植物根系結構、土壤水分運移和植物生長需求等，實現對水資源的高效利用和節約。

技術手段：

仿生農業灌溉採用了一系列先進的技術手段，包括智能感測器、自動控制系統、精細滴灌系統、土壤水分監測和調節裝置等。這些技術能夠根據植物生長需求和土壤水分狀況，實時調節灌溉水量和頻率，從而減少水的浪費和提高灌溉效率。

應用效果：

在一些地區和農業生產基地，已經開展了仿生農業灌溉的應用實踐。研究顯示，與傳統灌溉系統相比，仿生農業灌溉可以節水20%至50%以上，同時提高作物產量和品質，減少土壤侵蝕和鹽漬化問題。

案例介紹：

世界各地都有一些成功的仿生農業灌溉項目。例如，以色列的沙漠農業開發項目就應用了先進的仿生農業灌溉技術，成功實現了在乾旱地區的高效灌溉和農業生產。

未來發展：

仿生農業灌溉作為一種新興的農業技術，具有廣闊的發展前景。隨著技術的不斷創新和推廣應用，預計將在全球范圍內逐漸普及，為解決全球水資源短缺和氣候變化帶來新的解決方案。

四、國內案例探討

天癒農法仿雨林水土循環的概念，將雨的淋洗作用，反向由內而外、由地底到地表的蒸騰，讓土壤中的物質代謝到地表，更容易被分解。每天經由地下管路澆灌浸潤土壤，並從管線帶入新鮮空氣，讓水和空氣不斷更新，維持土壤的空氣、水分、養分，活絡土壤微生物，打造如雨林般生機盎然的生態環境。好的灌溉輸送系統，就是從模仿人體運作開始。

■會議日期:2023/1/17(點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.看完相關書籍

2.製作重點筆記

■問題研討:

(1)活性化土壤的定義?

(2)仿生和食農的關聯性?

(3)活性化土壤和有機堆肥的關聯?

■小組發言:

沂晅說:仿生和食農的關聯性山林裡的土壤裡面有許多的微生物、分解過後的枯草、落葉、動物殘骸等等的自然物品使土壤活性化，在都市裡可運用堆肥去模仿山林裡土壤裡蔬菜所需的營養素，而肥料可在種出植物後使用，可使微生物增生繁殖喔。

安捷說:活性化土壤的定義是活性化土壤其實就是模仿山裡的土明明沒人施肥也沒人照顧，卻每年都會長出漂亮的野花野草和樹木，而且很多花草樹木都開花結果，為甚麼會這樣呢?因為山林裡的土壤是長年累積而成的肥沃土壤，裡面有許多的微生物、分解過後的枯草、落葉、動物殘骸等等的自然物品使土壤活性化。

語彤說:活性化土壤和有機堆肥的關聯性是山林裡的土壤裡面有許多的微生物、分解過後的枯草、落葉、動物殘骸等等的自然物品使土壤活性化，在都市裡可運用堆肥去模仿山林裡土壤裡蔬菜所需的營養素，而肥料可在種出植物後使用，可使微生物增生繁殖。

■會議結論:

1.整理"土壤"的重點

2.製作關於"土壤活性"的報告

以國內興藝峰生技農業公司的天癒仿生科技農法系統為例，是以運用模仿人體的器官運作而研發的仿生農業灌溉系統，主要的運作說明如下:[11] (以興藝峰生技農業公司的天癒仿生科技農法系統為例 ) 負責人: 蔡沂晅整理

(1)仿血管運輸: 地下埋入管線摹擬人體血管的結構，以管壁厚、耐壓力的輸送管作為主要輸送管線 ─ 類比大動脈，搭配「利氣管」─ 類比微血管，以自然壓力的方式讓水分均勻滲透，管線與土壤接觸面積更大、更廣，灌溉效率更高，造就植物根系強盛向下紮根的生長優勢。

(2)仿心臟推動: 為了節省能源，設法維持穩定的推動力，不採用加壓馬達，而是將輸送桶建構於離地三公尺的高台，利用高低差產生位能，創造自然均勻的滲透壓力，如同心臟將血液輸送到血管，提供灌溉系統自然有力的推進動能。

(3)仿腎臟過濾: 天癒灌溉所使用的水，經過特別淨化過濾處理，再混合生物營養液進入混合桶。考慮灌溉系統運作所產生的雜質與代謝物，因此在管線末端設有排泄閥門，在需要排除積物時開啟，

(4)仿胃臟消化: 天癒的關鍵是植物所需的營養物質，用自然資材為基底，添加益生菌，摹擬胃部消化作用，讓營養物質在發酵桶內自然進行分解、發酵、熟成，也如同雨林自然生滅的腐植質，造就富含生機能量的綜合生物營養液，灌溉土地，這正是讓土壤具有豐沛生命力的關鍵。

(5)仿肺部換氣: 空氣中的氧、碳、氮等元素有助於植物生長，因此，在輸送管設置換氣口，讓空氣隨著輸送液自然進入地下管線。這個作用的好處是，一來水分與空氣滲透土壤的同時，自然地活化鬆動土壤，達到免翻耕的功效；二來空氣中約有78%的氮，引入土壤後加上固氮微生物，便能轉換成天然營養的氮肥。

(6)仿人體溫度調節: 在灌溉系統的源頭設置了控溫裝置，調節灌溉水的溫度，無論什麼樣的氣候溫度，土壤底下類似血管的管線，都能將土壤控制在一定溫度。因為水分直接灌注在土壤中，當氣溫較高的情況下，土壤有如皮膚一般，水分是由內而外緩緩蒸發散熱，不僅維持耕種環境的溫度，控制土壤的濕度，內濕外乾的環境，可使雜草不易生長，能大幅降低病蟲害。

■會議日期:2023/1/24(點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.看完相關書籍

2.製作重點筆記

■問題研討:

(1)仿生術的定義?

(2)仿生和食農的關聯性?

(3)仿生農法有哪些?

■小組發言:

沂晅說: 我有看到擬步甲蟲的生存方式，牠在非洲可以利用自己的身體表面，從露水和海洋霧中獲取所需的水，這樣的生物可以在缺水的地方生存，很值得我們參考。

安捷說:瑞士工程師和發明家梅斯楚跟他的狗狗在樹林裡散步時，發現一種類似鬼針草的植物黏在他們的衣服及毛髮上，這是後來魔鬼氈發明的由來。

語彤說:我們要想想看怎麼把農業灌溉與仿生術連結起來?

宓謙說:"台灣的仿生農業"這本書正好有提到仿生農業灌溉系統，我們可以利用這本書來協助我們。

子甯說:那就用這本書提到的模型作為我們研究的基礎在進一步想想看可以怎麼做。

■會議結論:

1.找出了許多仿生術的資料並製作心得筆記

2.我們研讀"台灣的仿生農業"這本書，發現這是一個可以實現的"仿生農業灌溉系統"，但在台灣不多見

3.我們決定採用這個研究模型，進行我們的"仿生農業灌溉"模型製作的基礎

五、仿生農業灌系統的研究

本研究安排了一次田野調查，訪問每天在農場裡耕種的農夫，她們種了很多的蔬菜與水果，如:番茄、芭樂、A菜、高麗菜、地瓜葉..本小組為了要能夠學習農夫的耕種方式與灌溉的方法。

在農場裡發現了很多種類的農作物，在出發前我們先設計了一系列的問題，想要透過問卷設計蒐集如何種植與灌溉的情況，以協助我們進行仿生農業灌溉的模型製作。

實際參訪快樂農場，了解農夫種植與灌溉的過程，並且製作訪談紀錄表，如下圖。

參加蘋果派思的仿生設計課程更了解仿生科技的重要性

■會議日期:2023/1/31(點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.參加蘋果派思的"我是仿生設計師"課程

2.製作學習心得與重點筆記

■問題研討:

(1)仿生術有哪些設計的方法?

(2)仿生術的應用有哪些?

(3)這次的課程我們學到了甚麼?

■小組發言:

沂晅說: 我在課程裡學到了螞蟻會釋放"費洛蒙化學訊號"，用來找路與夥伴聯繫，後來這個方式給了"資訊工程師"設計找路的演算法，用在很多衛星導航的系統中。

語彤說:我們在課程裡有玩一個遊戲"蜂巢"，主要讓我們了解蜜蜂的六角型結構都用在建築、工程等地方，因為這是世界上最堅固且最省材料的結構。蜜蜂就是用這個方式築巢，稱為蜂巢結構。

宓謙說:這個課程很有趣，帶我們玩很多跟大自然有關的遊戲，並且從遊戲中去發現大自然中的生存法則，收穫實在很多。

子甯說:經過這次的課程，讓我們進一步找到可以節"仿生"與"農業"的地方了。

■會議結論:

1.我們完成"仿生"資料的蒐集與整理

2.我們將開始進行一系列的"專題研究與製作"

3.預計2/21要進行農夫種植與灌溉的訪問活動

■會議日期:2023/2/21(點開可看內容..)

■會議日期:2023/2/21

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.問卷設計

2.農夫採訪活動，地點:快樂農場

■問題研討:

問卷的主要問題:

問題(1):請問種菜有什麼困難?

受訪者:辜姓阿婆

問題(2):如果葉子有蟲會如何處理?

受訪者:武陵高中前主任

問題(3):為什麼想要種菜?

受訪者:正在剝菜的阿嬤

問題(4):請問之前有使用農藥嗎?

受訪者:正在翻土的阿姨

問題(5):請問哪一種菜生長比較快?

受訪者:新手阿姨

■小組發言:

我們訪問完了快樂農場的農夫，這次的田野調查發現:

(1) 他們的種植方式與其他農夫不同，他們使用有機肥料。

(2) 他們種的農作物種類很多，每一種農作物都會需要灌溉，有的灌溉多且很生長慢，有的灌溉少生長慢。

(3) 不灑農藥所種出來的菜、水果也很健康但需要自己抓蟲

■會議結論:

1.採訪紀錄完整內容

2.預計完成"仿生農業灌溉模型"的製作

訪問日期: 2024.2.21

受訪對象:農場內的農夫

參觀農場:快樂農場

問題(1):請問種菜有什麼困難?

受訪者:辜姓阿婆

問題(2):如果葉子有蟲會如何處理?

受訪者:武陵高中前主任

問題(3):為什麼想要種菜?

受訪者:正在剝菜的阿嬤

問題(4):請問之前有使用農藥嗎?

受訪者:正在翻土的阿姨

問題(5):請問哪一種菜生長比較快?

受訪者:新手阿姨

訪談結論:負責人:林子甯整理

我們訪問完了快樂農場的農夫，這次的田野調查發現:

(1) 他們的種植方式與其他農夫不同，他們使用有機肥料。

(2) 他們種的農作物種類很多，每一種農作物都會需要灌溉，有的灌溉多且很生長慢，有的灌溉少生長慢。

(3) 不灑農藥所種出來的菜、水果也很健康但需要自己抓蟲。

■會議日期:2023/2/29 (點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.繪製仿生農業灌溉設計圖

2.製作"人體循環"+"農業灌溉"的模型

■問題研討:

(1)需要準備人體循環的材料

(2)製作模仿人體循環系統的心臟推動血液，推進大動脈然後再均勻分布在每個部位

混合桶:類似心房

馬達:如同心室肌

營養:液血液

過濾系統:如同腎臟，過濾與排出廢棄物

■小組發言:

語彤說: 營養液就像血液，透過"仿生灌溉系統"可以向血液循環一樣，發送到每個位置。

沂晅說:我們可以試著把人體血液循環系統結合農業灌溉。

■會議結論:

1.完成設計圖

2.完成模型製作

3.完成模型解說

本研究針對人體的循環統(圖3)，進行仿生農業灌溉的模型研究與製作(如圖4)，仿生灌溉系統是一項突破性的灌溉系統：讓灌溉系統完全地下化、保持地面乾爽整潔、空氣乾燥清新，營造出極為舒適的栽植空間；連結自動化系統，打造智慧農業，使農作過程更加休閒；可針對特殊族群設計，讓農業的適應性更廣。仿生灌溉系統，更可以支持與擴充農業的多重可能性。模仿心臟、瓣膜及動脈的位能灌溉設計概念使用幫浦作為推動管線中營養液流動有個缺點，會造成在灌溉的過程中必須持續消耗過多能源，而且推動的力量忽大忽小，並不平穩，這種情況會快速減少管線的耐用度。而幫浦本身也會受到管線阻力的壓力反饋造成損壞。因此，我們模仿心臟之心房、心室與大動脈之協同運作及結構模式，設計運用引力的灌溉法。的輸出模組中，混合桶及馬達組件就如同心臟之功能，提供整個系統營養液的基礎推進力。輸出槽設置在溫室的上方平臺距離地面約 3 公尺處。當馬達將營養液輸送至上端的輸出槽時，此時營養液具有了高度位能，藉由地心引力的作用，可以在地下管路中創造均勻的滲透壓力(如圖5)。正如同動脈利用管壁的強力彈性，將心臟瞬間推動力轉成穩定持續的彈性推進力量。

七、仿生農業灌溉系統的模型製作

仿生農業灌溉系統模型製作:

1.模擬土壤活性當作人體

仿生農業灌溉系統模型製作:

2.模擬人體細胞的的農作物模型

仿生農業灌溉系統模型製作:

3.製作模擬微血管的灌溉水管

仿生農業灌溉系統模型製作:

4.模擬心臟的位能桶，製作高底位能

仿生農業灌溉系統模型製作:

5.製作模擬腎臟功能的混和桶

仿生農業灌溉系統模型製作:

6.添加益生菌，模擬擬胃部消化作用

仿生農業灌溉系統模型製作:

7.模擬肺臟，在輸送管設置換氣口，轉換成天然營養的氮肥

仿生農業灌溉系統模型製作:

8.在灌溉系統的源頭設置了控溫裝置，模擬人體溫度調節，將土壤控制在一定溫度。

負責人:吳安捷、林子甯、蔡沂晅、陳語彤、李宓謙共同製作

八、研究結論與發現

調查苗栗巧克力雲莊養生農場的仿生農法，農場女主人每週灌溉 2 次。方式為開啟馬達將營養液抽上位能桶，接著轉開位能桶把手，運用自然引力灌溉，20分鐘便可完成 1 分地的全區地下灌溉，相當輕鬆1 個人即可管理全區。不需除草與翻耕、不易生病蟲害，平均每分地每日消耗 0.5 噸水。作物生長茂密，草莓結實纍纍，滋味香甜，根據這項資料顯示「仿生農業灌溉」具有相當大的優勢。

研究結論:

這次專題的研究我們針對農業灌造成水資源浪費的問題提出了創新的灌溉模型，以人體的循環統(圖3)進行仿生農業灌溉模型的研究與製作(如:圖4)，為了解決土壤壓實造成問題，尤其地表灌溉更會促進壓實作用。

本專題研究針對傳統農業灌溉方式提出創新的「仿生農業灌溉系統」:我們整理的結論如下:

(1) 可以直節獲取養分:灌溉地下化可由地下直接供應植物所需之水分養分，避免了對表面灌溉的土壤壓實影響。仿生農業灌溉系統可以直接在地下輸入充滿微生物的有機營養液，微生物代謝產生大量的發酵微氣泡，創造深層土壤的優良通氣性效果。

(2) 保持土壤乾燥減少雜草: 灌溉地下化可使表土乾燥，不易生雜草。經過了半年手工清除雜草後，雜草便已明顯減少、不易生長。

(3) 不用翻土土地肥沃:灌溉地下化後，可使土壤充滿間隙、蓬鬆不會硬化，因此土壤不再需要翻耕，土地越重越肥沃。

(4) 節省水資源: 灌溉地下化後，可以避免地表灌溉造成的水資源浪費，並且讓土壤與農作物都能夠充分均勻得到環境的恆定，如同人體的循環系統，仿生農業灌溉系統可以促使農業灌溉兼顧水資源與生產優質的農作物。

展望未來研究方向

隨著仿生農業的興起，從全球水資源的不足的問題中，農業灌溉造成水資源的浪費可以獲得明顯的改善，未來的仿生農業灌溉系統，可以進一步朝向三個方向來研究:

(1)結合魚菜共生系統: 針對兩個生態系統加入仿生農業灌溉系統進一步提升水資源的重複利用率。

(2)結合綠建築的設計: 可以針對綠化的屋頂進行小面積的仿生農業灌溉系統，讓綠建築也能進一步生產農作物

(3)結合人工智慧的監控: 在地下化農業灌溉後，很多的監控都需要倚賴電腦，然而，人工智慧監控可以讓農夫遠距巡田也可以了解整個系統的運作狀況。

■會議日期:2023/3/5(點開可看內容..)

■會議主持人:吳安捷

■專題進度:

進度說明:

1.檢查圖的資料來源是否有登記

2.檢查參考文獻資料是否有疏漏

3.確認文字內容是否有誤

4.修正上傳的資料

5.彙整研究結論與建議

■問題研討:

(1)與老師討論最後我們的結論

(2)整理未來可以繼續研究的方向

■小組發言:

針對傳統農業灌溉方式提出創新的「仿生農業灌溉系統」，我們整理的結論如下:

(1) 可以直節獲取養分

(2) 保持土壤乾燥減少雜草

(3) 不用翻土土地肥沃

(4) 節省水資源

■會議結論: 完成專題研究報告，並且謝謝老師的指導。

九、參考文獻( 學生製作的筆記與摘要)

有機堆肥的重點整理(陳語彤)

仿生科技的重點整理(陳語彤)

[參考文獻]

[1]資料來源:. “SDGs 是什麼？永續發展⽬標 17 項⽬標及台灣實例 “，2021-10-26,陳奕安, 親子天下媒體中

心 ,https://www.parenting.com.tw/article/5091099

[2]資料來源:"⼟壤與肥料完全使⽤⼿冊-何謂好的⼟壤?",原油紀子,”楓葉社文化事業有限公司",p20-p21,2017 年 02 月

[3]資料來源:"氣候變遷下農業灌溉⽔資源調適因應策略","鄭友誠",農業部農田⽔利

處,https://www.moa.gov.tw/ws.php?id=2504446

[4]資料來源:"應對農業中⽔資源挑戰","2020 糧食及農業狀況",”聯合國糧食及農業組

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[6]資料來源: "農業⽔資源維護保育及永續利”,”農田⽔利處鄭友誠,”農政與農情月刊 290 期”，2016 年 08

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[7]資料來源:”⽔知識⼤挑戰：國內主要⽔源來自⽔庫？逾半國人答錯”,環境資訊中心劉庭莉，”今周刊", 2023-03-28,

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[8]資料來源:"永續農場⽔資源再利⽤系統模式分析之研究"，"吳佩玲、陳聖智、柳婉郁、曾宥榕",農林學報

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[9]資料來源:"臺灣旱作管路灌溉，增進⽔⼟資源利⽤",”朱志彬” ,”《農政與農情》月刊藏⽔於農，穩定灌溉 348

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[10]資料來源:"淺談灌溉節⽔-相關制度規畫及技術應⽤","農田⽔利管理組廖國淳","農田⽔利期刊第 69 卷第 11

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[11]資料來源:"AgriGaia 仿⽣農業系統運作原理與未來展望",楊洵,”農業⽣技產業季刊

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[12]資料來源:"壁虎腳底的⾼科技",佛布茲(Peter Forbes),”遠流出版事業股份有限公司",2013 年 1 月

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[16]資料來源:”箱子魚”,”瑪特.富尼耶”,仿⽣⾼科技源於自然的科技靈感⽣態、藝術與科技的漫遊”,

2018/11/09,p84

[17]資料來源:”單元 42 訪談法”,” 黃春木, 吳昌政, 曾慶玲”,”中學⽣專題研究實作指南”,” 商周出版”,

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[18]資料來源:” 仿「擬步甲蟲」集霧灌溉系統靠溫差供出⽔流,” 國際中心／綜合報導”,”EtToday 新聞雲”, 2011

年 11 月 28 ⽇,https://www.ettoday.net/news/20111128/9473.htm#ixzz8VTxoqrPo

*TYE020

■會議日期:2023/3/21

■會議主題:決賽前需準備的工作

■會議大綱:

1.整理評審建議的10個問題

*評審建議:

(1).研究主題具創新性，研究門檻有難度。

(2).建議說明仿生營養液的來源可如何獲得？

(3)..建議可以增加說明仿生農業灌溉的缺點。

(4).主題結合現代農業科技發展脈動,甚佳

(5).結合學生生活體驗與實作,值得參考

(6).建議列出研究目的,導引研究方向

(7).所安排探究活動未能與題目密切結合及實際應用,殊為可惜

(8).台灣的仿生農業，一書說明原創於台灣的技術系統，由此發想具創新性,但若更能學童學習經驗或生活情境出發,將更佳

(9).參訪與模型製作與前述概念的結合?就目前之呈現不清楚,可更強化其關聯性

(10).此主題與食農教育中的(創新農業生產)具關聯性,.若能更具體結合在地農業生產的情境，將更符合食農教育的精神與意涵

2.分配10分鐘上台報告的項目

林子甯: 研究動機與目的+研究結論與建議

李宓謙: 水資源的問題+農業灌溉造成水資源的影響

吳安捷: 傳統農業灌溉有哪些?

陳語彤: 仿生農業的概念

蔡沂晅: 仿生農業灌溉系統的運作+模型製作

3.模型優化:針對模型缺失進行改善

4.決賽日期:4/10(三) 石門國中

■會議日期:2023/3/26(二)

■會議主題:決賽前需準備的工作

■會議大綱:

1.製作專題研究決賽報告: 科學展示板

2.科學展示板:

※共區分成三個區域

中央區: 星狀圖解釋專題研究計畫(林子甯)

九宮格說明台灣水資源現況(李宓謙)

概念區: 分類樹狀圖解釋灌溉分類(吳安捷)+單泡圖說明”土壤壓實作用”(吳安捷)

研究區: 核心圖說明仿生術的意義(擬步甲蟲仿生概念)與為什麼要結合仿生術三要點(陳語彤)

分析區: 流程圖說明”人體循環系統+農業灌溉”的仿生農業系統運作(蔡沂晅)

結論區: 魚骨圖說明這次專題研究要解決的問題與解決方案(蔡沂晅)

※模擬決賽會場的預演場次:

3/27(三) 對蘋果派思教練與全體共學生第一次報告

3/29(五) 對中山國小劉明娟老師第二次演練

4/7 (日) 進行評審建議強化報告重點與口說演練補強

4/8 (一) 開放蘋果派思家長與學生觀摩第三次演練

4/9 (二) 對中山國小劉明娟老師的班上第四次演練

4/10(三) 決賽正式報告(對評審委員提問答辯)

4/11(四) 公布成績

4/11成績公布了!!!

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4/10石門國中競賽現場影片

4/10 結束了這趟旅程，未完待續

4/10 決賽，終於完成了這次的專題研究，總算可以休息了。

4/10決賽 最後的自我練習

4/10 決賽 最後一擊

4/9決賽前預演9分40秒

指導老師:分享與鼓勵

沂晅:講解仿生農業灌溉系統

第三次專題研究報告預演(4/7)

三、仿生農業的概念

四、國內案例探討

仿生農業灌溉系統模型製作:

1.模擬土壤活性當作人體

仿生農業灌溉系統模型製作:

2.模擬人體細胞的的農作物模型

仿生農業灌溉系統模型製作:

3.製作模擬微血管的灌溉水管

仿生農業灌溉系統模型製作:

4.模擬心臟的位能桶，製作高底位能

仿生農業灌溉系統模型製作:

5.製作模擬腎臟功能的混和桶

仿生農業灌溉系統模型製作:

6.添加益生菌，模擬擬胃部消化作用

仿生農業灌溉系統模型製作:

仿生農業灌溉系統模型製作:

有機堆肥的重點整理(陳語彤)

仿生科技的重點整理(陳語彤)

4/11成績公布了!!!

4/10決賽最後的自我練習

4/10 決賽最後一擊