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高温激光挖掘机

为了让全国的优秀中学生感受清华大学的创新文化、培养创新精神、展示创新能力,为中小学学生搭建创新交流与展示的平台,清华大学基础工业训练中心于2019年8月6-7日举办了2019创新人才培养论坛。论坛已于上周落下帷幕,时隔一个星期,我们决定对参赛选手做一个采访专题,分享他们的作品,感悟成长历练。


本次活动的主题为《火星移民》,要求学生以火星城市建设与规划为切入点,以创客的角色进行发明创造,为星际移民计划助力。今天要介绍的是一等奖获奖团队——于畅、王文迪、张展的作品及成长故事。提到比赛,同学们依然记忆犹新,就让我们一起来看看大神是如何炼成的吧!



高温激光挖掘机


于畅——北京市昌平区第二中学

王文迪——北京市大峪中学

张展——北京市大峪中学


作品介绍


我们创作这个作品的目的是为完成火星移民,解决这个过程中从前期到后期的水资源储集和土地开发问题,促进资源高效利用。为了完成这项作品,成员们查阅了大量的有关太阳能转激光书籍资料。







发射卫星,卫星利用太阳能转激光的技术发射激光为挖掘机提供能源并通信。在火星地面布控高温激光挖掘机,连接检查,按照预先安排的挖掘方案进行挖掘。作品的设计方案包括两个空间、三个阶段。


两个空间


1)我们的作品设计在地面布控一种挖掘机进行地下城的挖掘,以及土地,水等资源的开发。并在天空中利用人造卫星进行供给能源与直接通信,实时校准,环绕卫星。实现地面与空中的联动,进行火星的前中期过渡开发。



2)由于火星环境并不适合人类直接移居。火星大气厚度约只有地球的1%,密度约为地球的1%。需要面对大量的宇宙射线以及不适宜的气候,还有暴风等恶劣天气。且火星空气主要成分为二氧化碳(CO2 约占95.3%),且赖以维持生命的氧气只占约0.15%,平均大气压强不到地球上的1%。昼夜温差大,表面平均气温为-55℃(218K)。需要大量能源进行保温,并且如果利用太阳能需要定期的维护,定居点需要定期迁移。需要高额的花费来维持初期阶段在火星表面的生活。所以考虑到整个庞大的移民计划,我们计划建设地下庇护所进行前中期的生活,同时,在外部改造火星环境,等待后期火星逐渐适宜人类生活。


三个阶段


在挖掘进行到一定程度后,利用激光反射器(包含在第一次到达的物品中,或利用第一阶段初步发掘造成的窗口期进行下一次发射到达火星的物品中。)进行光路的改道,进行地下的发掘。


完成地下城的发掘,可以进一步进行设备以及人员的到达。入住地下城,初步移民,同时加速改造火星环境。


作品具体设施


高温激光挖掘机:小型车,适宜多种地形。无人化,车体含有一个舱门,带土壤湿度探测器以及水位探测器作为重要的外部工作装置。外置激光接收器,内部有激光转换装置把激光分别作为能源,加热源,并执行另一部分激光所携带的信息。一部分激光通过处理转换为高能激光发射并化解冻土,冰块,松化土壤等(所以该车也可以进行其他可以执行的工作如取水,探测水源)。内置大型钻头,钻头具有螺旋纹以及内部管道,正转向下挖掘,并把土壤送到车仓内储存。随钻头的挖掘,土壤探测器与水位探测器进行先后检测,若土壤探测器检测返回值说明达到一定湿度,便进行下一步水位检测,若水位检测返回值说明有一定量液态水,便发送信号使钻头反转,钻头内部的管道把水抽取上来(可能夹杂一部分土壤等杂质,可待后期处理)并储存在另一个特定容器中。



可以外置探测装置进行智能自我寻迹,避障等行动,也可依赖卫星做中转,激光为信息载体,人工操控挖掘车。并内置可以维持一定时间的蓄电池,“一定情况下”使用。


空中卫星:装有太阳能转激光装置,将收集到的能源以激光的形式发射出去,锁定地面的挖掘机,供给能量。并利用激光和挖掘机进行通信。因为存在自转与公转影响,卫星预先设定好轨道,可以实时校准激光角度,持续为挖掘机供能,可以加大工作时间,加大效率。并且可以成为地球与火星的中转,减小通讯时差,加强保障。


地面方案:利用挖掘机进行圆形挖掘,先在地表挖出一定深度的坑槽,再在其中进行地下城挖掘,通道挖成较窄的竖直口下方进行大空间挖掘(整体类似广口瓶上方的瓶肩到瓶口区域),为地下城预留空间。挖掘机进行人字形往返发掘,可以持续利用轮胎走动,减少角度,在激光无法直接到达的情况下利用激光反射器进行光路的改道,持续供给。


地表的坑槽为后期火星环境适宜后植物的种植进行准备,如果土壤并不适宜直接种植,可以填充改造后的土壤于槽内。后期地下城居民可以直接回到陆地进行种植,减少一定的时间成本。并且挖掘的土壤可以作为研究对象,进行科学考察。



挖掘后土壤可以倾倒在环状挖掘地的外围,逐渐形成“环形山”状的土山,可以在进行一定改造后成为抵御恶劣气候的城墙。在城墙内建设新城市,地下城可以保留为长期使用空间,危机时的庇护所。


总结

  • 用激光技术辅助挖掘。

  • 利用卫星结合地面设备,实时校准,提高效率。

  • 在挖掘的同时开发多种资源。

  • 通过建设卫星和激光传导,不仅可以加大能源传输效率,且可利用激光通讯,把卫星作为中转站,减少通讯延迟。

  • 聚焦前中期过渡阶段,并为后期移民做准备,开拓并保留地下城上方土地作为后期耕地,并且可以改造土壤,后期生活可让地下城居民直接移居地下城上方,地下城可作为长期使用空间。


组员故事:经历铸就成功


王文迪



我是来自大峪中学的王文迪,日常喜欢阅读文学著作,热衷音乐,曾是学校金帆合唱团的团员,大大小小的演出也参加过几次。在业余时间我还自学了口琴,到现在也可以算是有些造诣。平日中喜欢召集一些玩音乐的同学共同组成乐队,合奏古今中外各式各样的古典或是流行曲目。


参加这次活动收获很多,首先就是耐心的提升,在头脑风暴结束后接踵而来的创作环节,我们小组一致认为想法还不够好,在最开始时便花费了近两个小时的时间挖掘新思路并打磨已有的想法,在邻组已经开始编程时才结束讨论。正所谓工欲善其事,必先利其器,思维就是我们最好的武器。在接下来的时间中我们也确实用这把名为创新思维的宝剑披荆斩棘,勇夺桂冠。


这次比赛,我其实并没有预料到能获得一等奖,只是觉得能够拿个二等奖或三等奖,所以,在宣布我们获得一等奖时,我们三人都很意外,走下领奖台后,才去细细品味这份成功的喜悦。我认为这份荣誉的取得源于我们每一个人的努力和团队戒骄戒躁的行事风格。


未来,我的理想是考取北京医科大学或是北京协和医学院的临床医学系,和志同道合的人一起攻克疑难杂症,让人们的生活中少些病痛,少一些因病痛带来的无奈。济世救人乃人之本性,我希望在未来能够秉持着这种本性,为医学做出一点贡献。


于畅



我是来自昌平二中的新高二学生于畅,爱好广泛,音乐、足球、茶文化、书法、书籍等,平时也喜欢订阅杂志报刊,如《华夏地理》《中华遗产》《中国国家地理》《博物》《环球科学》《参考消息》等等。参加2019创新人才培养论坛感触颇深。这是我第一次参加这个活动,也是第一次参加这种类型的创客创新活动,心中十分没底,在论坛开始前,我根据组委会给的三个主题翻阅了很多资料,做了很多的功课。比赛前,我认为最需要的技能是开源硬件的编程、Python、3D建模与打印、激光切割、PPT制作等等,等我真正参与进来后,发现并不是这样。比赛现场提供有3D打印机、激光切割以及众多的传感器与开源硬件,然而这些你可能并不需要,但是创新的理念和对细节的打磨却是每个作品都必须要具备的。


通过这次活动,自己在团队合作、动手能力、思考能力、创新思维等方面得到了提升。


这是创新的园地,以开放促交流,用包容促互鉴,在这里我真正感受到了创新的魅力。


能够参与到活动中,我认为获得什么名次已经不是最重要的了,最重要的是经历,是团队的配合和友谊。我十分感谢我的组员们,“火星移民”这个主题一公布,我们都没有什么想法,但是经过一起思考,一起设计,一起争论,最终找到了最好的切入点!两天来,我们一起吃饭,一起聊天,一起欢笑,这使我更加明白了活动传播的不仅是技术、是创新,更是对团队协作、团队精神的颂扬。


关于获奖,真是完全没有料到,我觉得自己算是中庸的水平,我们组文迪说至少也要在三等奖往上,我觉得不一定。当颁奖进行到最后,公布我们获得一等奖时,按说第一反应应该高兴才对,但是直到上台我还沉浸在惊讶之中,当然,与此同时又伴随着愿望实现后的安定。


我非常感谢这次活动,感谢清华大学和各位专家评委,各个提供支持的组织单位,更感谢这两天里给我们大量帮助的工作组成员、老师们,以及我的组员们!谢谢你们给我们搭建了这么好的平台!这里是我们成就梦想的地方,更是我们起航的地方,在之后的日子里我会更加努力!


张展



我是来自北京市大峪中学高三年级的张展,很荣幸在几天前参加了创新人才培养论坛活动,并有幸获得一等奖以及最佳风采展示奖获奖团队的荣誉。我的兴趣爱好较为广泛,早在小的时候,就经常动手制作一些自己感兴趣的小物件,并对此乐此不疲,上了中学以后,我开始逐渐接触到3D打印、编程等工具,开始了创客的精彩体验。我也经常在课余时间参加各种各样的活动,例如北京理工大学地面机动装备实验教学中心的机器人课程、“3D创想”冬令营以及学校主办的“创客马拉松”科技节活动等。“创客”一词一直在我成长的道路上与我形影不离,并且带领我在大千世界中不断探索创造的奥秘。


拿到赛题“火星移民”之后,我丝毫没有头绪,这个题目距离我们的生活体验较远,陌生的环境、陌生的队友、毫无头绪的赛题,让我感受到了发自内心的无助。但是,随着老师循循善诱的引导以及队友间的逐渐熟识,想法逐渐清晰,经过想法和想法的交汇碰撞,我们最终把选题确定在了“建设地下城”上。随后我们进行了24小时的模型制作与编程,克服了零件尺寸不合适、编程不能正常运行等重重困难,最终完成了作品。


在这两天中,从启发想法,到手绘图纸,再到实际操作,我体验了创造与挑战的全过程,在这个过程中,我学到了书本上学不到的内容,体会到了创造以及科技的乐趣。


让我最为记忆犹新的是,第一天晚上,我们组一直在为怎样组合挖掘机而冥思苦想,如果这个环节没有成功,那就意味着我们的创意将全盘失败,我们面临着材料不合适的困境以及时间紧迫的压力,想尽可能地将挖掘机组装得完美,将它的功能发挥到极致,但好像我们越着急,零件就越不听话,我们组装上一块板,却发现轮子不平,再装上一块,又发现车轮没有地方安置了,就这样,我们拆了又装,装好再拆,反反复复地更换了很多种组合方式,终于制成了能正常工作的装置。在一次次跌倒,又一次次爬起的过程中,我们互相鼓励,从零到一,实现了蜕变和演绎,实现了造物的奇迹。从第一天的陌生,到后来的共同交流思想,突破困难,我收获了友谊。


在本次论坛中,我提升最快的是逻辑思维能力,因为我们组有成员参加了去年的“创计划”创客挑战赛,根据去年的经验,我们注重每轮路演时表达的准确性和简洁性,我们反复向自己提出一切能想到的关于作品功能的问题,在一次次回答问题的过程中不断发现我们作品的漏洞并加以改进,在这一次次的完善中我们的思考也越来越周密,我想这也是在终评时我们可以顺利回答评委老师的问题的重要原因。我们不断总结提炼,我们希望在有限的终评路演时间内展示给大家最精华的部分,并多次练习,为的是能让我们的表达更具有逻辑性,在最终的展示中,我们省略一切无关紧要的内容,直奔主题,果然,我们在有限时间内顺利的介绍完了我们的想法和创意,我认为这也是我们组能获得一等奖的重要原因之一。


这次参加“创新人才培养论坛”的经历,对于我来说,是一个机遇,是一次洗礼,更是一种历练。阳光总在风雨后,我在这短短两天里收获了很多,也成长为了一个更充实的自己。


以前,经常听到老师说,“不要只局限于身边的同学,你的竞争对手不只是他们,要把眼界放宽”。在这两天,我才真正体会到了这一点。比赛中,我看到了很多优秀的同学,他们不只有专长,而是全面发展,他们的激励我不断向他们靠拢,永不停止前进的步伐。


通过这两天的活动,我更加坚定了我的理想——进入人工智能专业进行大学阶段的学习,我将在高中的最后一年里努力学习,为了实现梦想不懈奋斗。我相信,这次经历将是我成功道路上的一块垫脚石,未来我定不负众望,创造出属于我们这一代人的新世界。


最后,我要感谢主办方给予我的参赛机会以及父母给予我的支持和鼓励,同时还要感谢清华大学为我提供的实现梦想的平台。


家长感言:再接再厉,多元发展


感谢创新人才培养论坛的平台,让孩子们开拓了视野,了解到团队合作的重要性,学习到新知识,希望在以后学习道路上再接再厉,明年考上自己理想的大学。


国家飞速的发展,社会需要多元化的人才,此次大赛不仅考验了孩子们丰富的想象力,还有实际动手能力,多方面调动知识的能力,以及团队合作的精神,给孩子们提供了展现自我实践创新能力的平台。


希望孩子能多元化发展,适应这个飞速发展的时代,成为国家的有用之才。





像荣誉证书上所写:希望这会成为你(们)人生中一份独特的记忆与激励,未来不断努力,继续前行。


2019创新人才培养计划已经全面启动,活动工作组先后组织并落地了2019乌鲁木齐市第一中学创客体验营,2019创新人才培养计划青岛市选拔活动,累计至今,创新人才培养计划已经覆盖北京、天津、河北、山东、河南、浙江、安徽、江苏、陕西、新疆等全国八个省份两个直辖市。愿不久的将来我们能与更多地区共同携手,不断丰富创客文化,让创客的种子在全国更广范围播撒开来。


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