清華女生研制會(huì)取玩具的“象鼻子”
來(lái)源：北京晚報(bào) 2014-12-23 張航
不少人都見(jiàn)過(guò)大象，它最顯著的特征就是有一只長(zhǎng)長(zhǎng)的鼻子。這只鼻子非常靈活，可以輕松地卷起一捆草料放進(jìn)嘴里，也可以卷起游客讓他們發(fā)出尖叫。夏日里蚊蟲(chóng)多，大象鼻子還能向后揮動(dòng)，配合蒲扇般的大耳朵，驅(qū)趕蚊蟲(chóng)叮咬。
近年來(lái)隨著仿生學(xué)科的發(fā)展，越來(lái)越多科學(xué)家開(kāi)始基于象鼻的功能開(kāi)發(fā)各種機(jī)器人手臂。但這些“手”大多體積龐大且價(jià)格昂貴，難以走入尋常人家。來(lái)自清華大學(xué)的本科生楊韻芳，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)出了“多自由度柔性仿象鼻機(jī)械臂”，它有彈性骨架、人工皮膚，可以柔性彎曲，體積、成本也大大降低。這只智能機(jī)械手臂今年在清華大學(xué)第32屆“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得了特等獎(jiǎng)，并已經(jīng)申請(qǐng)了專(zhuān)利?；蛟S在不久的將來(lái)，無(wú)論我們廚房烹飪還是居家清潔，“象鼻子”都會(huì)成為我們的好幫手。
創(chuàng)意緣起：想當(dāng)“章魚(yú)博士”長(zhǎng)出“小胳膊”
2012年，楊韻芳進(jìn)入清華大學(xué)機(jī)械工程系就讀。在城區(qū)面積最大的校園里念書(shū)，清華學(xué)生經(jīng)常需要騎自行車(chē)奔波于宿舍、教室、實(shí)驗(yàn)室之間。課間時(shí)間短，更是匆忙。“有一陣課程密集，轉(zhuǎn)教室時(shí)經(jīng)常手忙腳亂，掉手機(jī)，掉課本。”楊韻芳笑道，當(dāng)時(shí)自己心情不爽，就琢磨著要做一個(gè)“小胳膊”。
裝在肩膀上的“小胳膊”，這是電影《蜘蛛俠》里“章魚(yú)博士”的形象。楊韻芳說(shuō)自己就想有一套“章魚(yú)博士”那樣的設(shè)備，可以放在肩膀上幫自己拿手機(jī)、拿資料，“騎車(chē)接電話(huà)，我腦子一想，電話(huà)就通，多方便。”楊韻芳并不是天馬行空的想象，她的導(dǎo)師一直在做機(jī)械手領(lǐng)域的研究。在學(xué)習(xí)中，楊韻芳早已對(duì)仿生機(jī)器人產(chǎn)生了濃厚的興趣。
2013年11月，清華大學(xué)第32屆“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽啟動(dòng)報(bào)名。正讀大二的她把自己的報(bào)名參賽想法和導(dǎo)師進(jìn)行了交流，創(chuàng)意得到了導(dǎo)師的支持，“那天和老師聊了無(wú)數(shù)的想法，身上裝四五個(gè)胳膊啦，可以拿各種東西和你對(duì)話(huà)啦，我還記得凌晨回寢室的興奮，發(fā)狀態(tài)胡言亂語(yǔ)說(shuō)‘科學(xué)真奇妙’。”楊韻芳笑道。
創(chuàng)意設(shè)計(jì)：三根柔性桿組成“人工肌肉”
完成了報(bào)名，楊韻芳就投入了研究。經(jīng)過(guò)調(diào)查，她發(fā)現(xiàn)國(guó)外不少大公司已經(jīng)研發(fā)出了類(lèi)似“象鼻”那樣的柔性機(jī)械臂，這些機(jī)械臂的靈活性、承載力還非常出色。但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：一是體積很大，二是價(jià)格昂貴，“大多是應(yīng)用在工廠(chǎng)生產(chǎn)，或者醫(yī)院的手術(shù)室里，肯定不是我一個(gè)大學(xué)生能買(mǎi)得起的，即使買(mǎi)了也裝不上肩膀，太沉。”她笑著說(shuō)。
她確立了自己的研發(fā)目標(biāo)：首先結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，這直接決定手臂的體積、重量；其次是成本要盡可能得低，因?yàn)槭敲嫦蛲瑢W(xué)和普通家庭的。
研制“象鼻子”，首先得有圖紙，大一時(shí)楊韻芳學(xué)過(guò)用SolidWorks這種畫(huà)圖軟件作圖，但到了研發(fā)“象鼻子”時(shí)，她才意識(shí)到當(dāng)初學(xué)的只是皮毛，從零開(kāi)始想象一個(gè)東西，估計(jì)它大概的尺寸……“基本上就是從頭學(xué)起。”
楊韻芳說(shuō)，她要設(shè)計(jì)的“象鼻子”完全不同于我們?cè)谝恍┕S(chǎng)流水線(xiàn)上看到的機(jī)械手，“那些都是有關(guān)節(jié)的，一個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)繞軸運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手工作，我要做的‘象鼻’機(jī)械手是能做連續(xù)平滑運(yùn)動(dòng)的。”
通過(guò)反復(fù)測(cè)試，她想到了用帶有螺紋的柔性桿，“三根柔性桿套在一個(gè)彈性骨架內(nèi)，組成一個(gè)穩(wěn)定的立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中一根柔性桿在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，縱向距離發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)立體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定方向也會(huì)隨之發(fā)生變化，‘手臂’就彎曲了。”楊韻芳把這些帶有螺紋的柔性桿稱(chēng)為“人工肌肉”。
實(shí)際制造：“氣質(zhì)美女”拿起焊槍接電路
楊韻芳說(shuō)，設(shè)計(jì)是第一個(gè)考驗(yàn)，第一個(gè)月幾乎每?jī)商鞊Q一個(gè)方案。之后就是制造原理樣機(jī)。她還記得第一個(gè)模型做出來(lái)的時(shí)候，自己拿著個(gè)螺絲刀擰著螺釘，興奮地看著一根桿發(fā)生了一點(diǎn)彎曲，一個(gè)學(xué)長(zhǎng)驚訝地說(shuō)：“這是什么？啊？這是你參加挑戰(zhàn)杯的胳膊？”
學(xué)長(zhǎng)的質(zhì)疑讓楊韻芳有些“受傷”，但是她并沒(méi)有氣餒，不斷尋找更加合適的材料，最終確定用柔性桿做“人工肌肉”。而做彈性骨架她采用了3D打印技術(shù)。雖然單單一個(gè)彈性骨骼“小盤(pán)”就得花20分鐘時(shí)間，但這些骨骼的質(zhì)量很小，符合產(chǎn)品輕量化的要求。”
一只手臂，除了骨頭、肌肉，當(dāng)然還得有皮膚，楊韻芳跑遍了校內(nèi)外的五金店，終于找到了一種名為“嵌簧絲波紋管”的材料來(lái)做“人造皮膚”。說(shuō)起這種材料，楊韻芳笑著說(shuō)，有點(diǎn)像抽油煙機(jī)的排煙管所用的材料。
楊韻芳給這只“象鼻子”起名為“ET臂”。在克服了一系列挑戰(zhàn)之后，這位同學(xué)們眼中的“氣質(zhì)美女”操起焊槍?zhuān)?ldquo;漢子”那樣開(kāi)始焊接電路，收獲了一手的燙傷戳傷之后，她在一周內(nèi)完成了幾乎不可能的任務(wù)，給“ET臂”裝六個(gè)傳感器、攝像頭和手爪。除了課堂、食堂、宿舍，就是在實(shí)驗(yàn)室，一熬夜就是到凌晨三點(diǎn)。
創(chuàng)意展示：自由“象鼻子”為小朋友發(fā)獎(jiǎng)
經(jīng)過(guò)半年左右的研發(fā)，今年4月，楊韻芳的靈巧“象鼻子”終于誕生了。這只“鼻子”一共有兩節(jié)，長(zhǎng)約80厘米。每一節(jié)由7至8個(gè)彈性骨骼組件構(gòu)成。“鼻子”底下是提供動(dòng)力的電機(jī)。
楊韻芳說(shuō)，“ET臂”工作原理是，柔性桿兩端通過(guò)聯(lián)軸器分別連接電機(jī)和螺母板。柔性桿上套有若干中間件。電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，柔性桿隨之自轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)一系列力量傳遞，實(shí)現(xiàn)肌肉收縮。
根據(jù)這個(gè)原理，整個(gè)ET臂采用多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠向多個(gè)方向彎曲，可以做出S、C等各種空間形狀，能使得末端工具順利抵達(dá)指定空間位置，同時(shí)自重輕、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低。“我沒(méi)測(cè)過(guò)具體重量，但我一個(gè)人移動(dòng)整套設(shè)備完全沒(méi)問(wèn)題。”她說(shuō)。
獲得“挑戰(zhàn)杯”特等獎(jiǎng)后，楊韻芳的“ET手臂”和其他同學(xué)的作品一起在清華大學(xué)游泳館南廣場(chǎng)展出。這是一個(gè)類(lèi)似嘉年華的活動(dòng)，校內(nèi)外人士都可以看到學(xué)生們的創(chuàng)意設(shè)想。楊韻芳的“象鼻子”承擔(dān)起了發(fā)獎(jiǎng)品的重要任務(wù)。一些小朋友在參加互動(dòng)體驗(yàn)區(qū)的活動(dòng)后，來(lái)到“象鼻子”前，這只機(jī)械手非常靈巧地從高處抓取一個(gè)毛絨玩具，送到小朋友的手里。不少人開(kāi)心地大笑，要跟“大象鼻子”合影。
“當(dāng)時(shí)我給手臂的頂端裝了一個(gè)抓手，便于抓取玩具，我跟大家說(shuō)，等以后這個(gè)手臂再長(zhǎng)一點(diǎn)，它最大的魅力是不需要任何抓手，直接用手臂本身來(lái)抓東西，就跟大象鼻子一模一樣。”楊韻芳說(shuō)。
未來(lái)規(guī)劃：已申兩項(xiàng)專(zhuān)利還將繼續(xù)完善
楊韻芳說(shuō)，目前“ET臂”已經(jīng)申請(qǐng)了兩項(xiàng)專(zhuān)利。在她看來(lái)，大二開(kāi)始的這次科研活動(dòng)徹底改變了自己的大學(xué)生活和她對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。申請(qǐng)專(zhuān)利、做樣機(jī)、參加挑戰(zhàn)杯、發(fā)表國(guó)際論文……一系列的探究讓她不斷調(diào)動(dòng)自己學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，既培養(yǎng)了興趣，又更好地消化吸收了課內(nèi)的知識(shí)。“積累了許多工程知識(shí)，掌握了各種加工和設(shè)計(jì)技能，也培養(yǎng)了在黑暗中獨(dú)自前行的毅力，能夠主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再創(chuàng)造性地提出解決辦法?？蒲羞@條路，我愿意走得更加長(zhǎng)遠(yuǎn)，既為自己成才，也為未來(lái)世界的進(jìn)步與幸福。”
對(duì)于“ET臂”，楊韻芳說(shuō)仍在不斷地改進(jìn)完善，尤其是在智能控制和電路設(shè)計(jì)方面，這只“象鼻子”仍然有不少需要提高的地方。
“我感覺(jué)靠我一個(gè)人的力量有些力不從心了，需要有這方面的高手加入進(jìn)來(lái)，一起完善它。讓它真正成為市民生活的好幫手。” 她說(shuō)，自己本科畢業(yè)后還會(huì)繼續(xù)深造，目前的初步打算是一直讀到博士，她要努力做一個(gè)踏實(shí)謙遜的工程師。
