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在创新的天空自由翱翔

包金琳 兰 锐 李 响

  编者按:2014年,在国内外各类创新大赛中,我校学子捷报频传,仅国际级和国家级奖励就获得700余项:在全国大学生创新创业年会上,1项作品获“我最喜爱的项目”奖,2篇论文获大会优秀论文,我校同时获2012年至2014年度国家级大学生创新创业训练计划实施工作先进单位,总成绩创历史新高;在艾景奖国际园林景观规划设计大赛中获杰出奖1项,金、银、铜奖各1项;在中国大学生物理学术竞赛中获唯一特等奖;在全国大学生创业综合模拟大赛中获特等奖;在全国大学生可持续建筑设计竞赛中获唯一特等奖和一等奖1项;在全国信息技术应用水平大赛中获特等奖1项、一等奖1项;在全国大学生网络商务创新应用大赛中获特等奖1项;在大学生新材料创新设计大赛中获特等奖;在全国大学生机械创新设计大赛中获一等奖2项;在全国大学生智能汽车竞赛中获一等奖2项;在全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛上获团体一等奖2项;在中国(国际)传感器创新大赛中获一等奖;在全国大学生交通科技大赛中获一等奖2项;在全国大学生混凝土材料设计大赛中获一等奖;在全国新概念飞行器设计创新大赛中获一等奖;在全国机器人锦标赛暨国际仿人机器人奥林匹克大赛中获10项冠军……
这里,我们选取部分参赛队进行了采访,通过他们参赛的心路历程,展示哈工大学子热爱创新、勇于创新的精神风貌——


节能减排:对雾霾说“不”


  在第四届全国大学生节能减排科技创新及社会实践大赛现场,放在透明的玻璃箱内的一个装有净化窗的小房子模型构成了一个相对独立的大气环境,在玻璃箱内点燃一支香烟,大气就被“雾霾爆表”了,但浓烟却无法进入装有净化窗的小房子内。这样有趣的现象吸引了现场许多观赛老师和同学的兴趣。这是我校能源学院左婧滢、于文汇、孙晨,英才学院刘添豪和电气学院邵博完成的“离子风与静电除尘一体化空气净化窗”项目的展示模型,这个设计也在本次比赛中获得了特等奖。
在哈尔滨空气污染最严重的一段日子里,PM2.5指数时常“爆表”。在这样的天气状况下,室内的空气该如何净化?能不能设计一种简易环保的换气装置来改善这个问题?带着这样的初衷,左婧滢和同伴们开始尝试设计一种新型空气净化窗。

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同学们在比赛现场(能源学院 提供)


  在高继慧教授的指导下,他们在查阅了大量相关资料后很快确定了结合离子风和静电除尘一体的方向。“离子风和静电除尘技术并不是非常新的科学概念,但这二者运用于室内空气净化方面的先例还很少,这也是我们的一个创新点。离子风和静电除尘的技术都是利用高压电晕放电原理,都可以除尘净化,同时二者风阻较小。”项目负责人左婧滢认为他们很幸运,因为从一开始就选择了正确的方向。
  具备了理论基础仅仅是一个良好的开始,真正将头脑中的想法搬到现实中来需要的是汗水。经历了一段时间的摸索,项目小组的几名成员设计并制作出了第一个作品,但这个作品却让他们又喜又忧。喜的是预想中的离子风吹起了纸条,证明了他们的想法可行,忧的是科研探索中的第一个阶段性环节也暴露出了不少问题。“我们选择的金属外壳设计存在漏电现象,如果实际应用可能引发安全隐患。装置产生高压电晕的同时,也产生了不少臭氧,而居室内难闻的臭氧味道会对人的身体健康产生不利的影响……”为攻克这些问题,他们在实验室度过了一个个不眠夜。为解决金属外壳的问题,他们决定选用绝缘性质更佳的木制窗框。由于加工量很小,他们在市区找了很多木匠都不愿意接手,邵博和孙晨最终跑到几十公里外的双城才找到一位好心的师傅愿意帮忙加工,他们也和师傅一起当了一天木工。
  从最初的想法到最后将想法搬上舞台,他们设计了整整4代产品,从稚嫩到成熟,从粗糙到细致。孙晨说:“高老师时常鼓励我们‘做就要认真,要有激情,要关注细节’。在这个项目研究中我们也尽力完善每一个细节,因此收获的也绝不仅仅是一张获奖证书。”


智能寝室:让你的生活与众不同

  回到寝室,刷卡进门,房内灯光自动开启;室内空气燥热,窗户自动打开,并启动加湿器;想看书了,自适应灯光调节出最健康的色温;离开寝室,安防系统开启,实现防盗、防火功能;只需轻点手机,就能对寝室实时查看与控制,并接收寝室通过互联网推送的消息……这不是科幻电影,而是融合我校学子无限创意的“智能寝室”。该作品由我校邱景辉教授指导,崔业璞、王长磊、唐浩誉、陈昂组成团队设计完成。虽然作品很小,但本领很强大,理念超前,非常智能。凭借这些优势,“智能寝室”问鼎全国大学生物联网设计竞赛唯一特等奖。

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智能寝室团队(电信学院 提供)


  谈起智能寝室的创意,崔业璞讲起了他的囧事:“早上,我起床泡咖啡,总要站在饮水机前等水烧开;出门老是忘带钥匙。我想如果可以在床上遥控饮水机提前烧水,回寝室用学生卡刷门禁就好了。”通过查阅资料,他了解到利用单片机可以实现对门、窗、灯等家具的智能控制。为了让“梦想”成真,大一寒假,崔业璞自学了C语言与单片机的相关知识。得知大学生物联网设计竞赛开始报名,他和同学王长磊、唐浩誉、陈昂组成团队,毫不犹豫地参加了比赛。“认准了,就去做。不跟风,不动摇!”崔业璞坚定地说。
  比赛开始后,崔业璞和唐浩誉负责开发板与各部分的对接,王长磊专攻组建网络,陈昂负责外观的设计、建模及打样。“我们将智能寝室分成7个单元,组建网络,将开发板接入互联网,实现给手机推送信息和报警功能。在各单元安装传感器,用于监控空气质量、温度、湿度,读取色温。”唐浩誉介绍说。
  在制作过程中,团队创新性地设计了室内、户外两个传感器包。户外传感器安装太阳能板供电,同时检测户外空气质量。通过户外与室内传感器数据的比较,来实现室内自动化控制。比如当户外传感器检测到阴天下雨时,数据将通过天线传给室内传感器,设备就会提高电灯的亮度。他们还努力让作品实现人性化,比如一键离开功能。当你按下这个按钮,智能寝室将帮你关闭正在运行的电器并打开寝室门,同时触发30秒的延时,这将为你离开寝室提供充足的时间,延时结束后,防盗系统将自动开启。
“产品不仅要有实用的功能,还应该适用于工业生产和推广社会。”为此,团队按工业要求进行设计,显示屏界面采用了统一的风格,设备外壳用3D打印机制作,作品中还添加了蓝色、白色的图标……
谈到智能寝室的应用推广,崔业璞充满期待地说:“我们会申请专利,再将程序和相关信息公布在网上,任何感兴趣的人都可以下载并进行安装。”他们还计划引入语音控制,提高电池的使用寿命,不断完善智能寝室的功能


竞技机器人:一分一秒 一路奔跑

  走进学士楼三楼的大学生机械创新与创业实训中心,别样的氛围扑面而来。迎面高悬一块刻有“大学堂”字样的牌匾,高高的房屋举架下面设有比赛区、工具区、图书区和工作区,16名队员大部分都是机电学院大四本科生。从2013年10月组队到2014年5月末参加国赛前的200余天里,每天24小时,他们的身影始终都穿梭在矽玛特立式铣床、轻型台式钻床、锯铝机、氩弧焊枪、笔记本电脑和模拟赛场当中。所有的这一切构成了哈工大竞技机器人创新的一个特别景观。
  由团中央主办的全国大学生机器人大赛是国内相关技术领域规格最高的赛事。我校竞技机器人队已代表学校参与全部13届赛事。本届大赛主题为“舐犊情深”,要求设计制作两台机器人——机器妈妈与机器儿童,“母子”俩在公园里坐跷跷板、荡秋千、踩梅花桩与攀爬楼梯。
  做机械创新和电控开发,对机电学院本科生而言如同一项全民运动。2013年10月,刚刚步入大四的耿德强通过纳新进入竞技机器人队。通过一个月的考核,他被分配到机械组下设的手动机器人(M车)小组。小到对一根钢轴进行攻丝,大到就整车升级换代,在近8个月的时间里,M车前后经过5次改良,由于车体较重,光是扔拆掉的车架等金属耗材就有50多公斤。随着时间的延续,M车悄然有序地按照队员们赋予给它的合格“妈妈”的使命,一步一步、小心翼翼地“抱”起自己的孩子——自动机器人(A车),从起初的“前行”

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竞技机器人团队在攻关(兰锐摄)

  “后退”“拐弯”到创新末期能够带着“孩子”在限定场地里飞跑、荡秋千、压跷跷板……风驰电掣的M车既有速度又能保持良好的稳定性,并可先后与“孩子”一起配合完成“压跷跷板”“梅花桩”“荡秋千”和“攀高台”4项运动,实现“健康宝宝”任务,最终以游戏形式完成比赛。成百上千枚冰冷的零部件经过近两个学期时间,在这群敢想、敢当和敢做的热血青年手中捂热,并通过一次又一次的雕琢与改良,被赋予如人般的生命、智慧甚至母爱……
  2013年12月21日,10张PCB光板通过快递送到了电控组队员张明手中,像这种只布有线路的光板,张明已在网上买过无数次。在购买之前,他首先要自行开发设计出电路图,然后逐个检查布线是否准确无误。在公司加工完电路板后,张明再通过放大镜和荧光灯近距离观看线路布局,再借助电烙铁和焊锡膏将微小的电阻、电容、二极管、三极管和稳压芯片等依次焊接在电路板上,最后再把自己开发出的一整套程序烧录其中。就这样一张张气动电路板、主控电路板和电源电路板应运而生,并被一一安放在A车和M车当中,使这些冰冷的机械零部件有了灵魂、有了动作,也有了相应的工作任务。
  “面条煮好了,大家快来吃夜宵,耿德强、张明、蒋序帆,还有高阳师哥,快来啊!”熊怡正站在电磁炉旁煮面条。此时已过零点。简单吃过夜宵,耿德强和白班队友张田飞搭伴走出学士楼。此时校园漆黑而宁静,环望四周,唯有三楼的大学生机械创新与创业实训中心灯火通明,偶尔还能听到气泵工作的轰鸣声。
  5月22日清晨,连续工作30天、每天“两班倒”连续调车24小时的队员蜷缩在睡袋里,一个挨着一个地做着“追车逐梦”。他们睡得很香,因为大家在几个小时前看到了胜利的曙光,从最初用3分多钟完成4项任务,到之后的100秒、90秒、80秒,直至22日凌晨的最新纪录54.5秒。“这8个月是全天的8个月,需要队员放弃许多、坚持许久。只有经历了这个过程,才会体验到从无到有再到极致的自我挑战……”作为领队的研一学生王涛感慨道。虽然参赛队在决赛中因失误遗憾告负,获得亚军、一等奖,但回首8个月里一分一秒、一路奔跑的创新历程,点点滴滴都值得深深铭记。期间的汗水与收获,已不仅仅是奖项所能替代。


美国大学生数学建模竞赛:过程是最好的奖励

  “过程是最好的奖励”,对于参加美国大学生数学建模竞赛与美国大学生交叉学科数学建模竞赛(MCM/ICM)的学生来说,无论是否获得奖项,通过参赛都收获了很多。
  “该赛事既要求参赛学生具有扎实的数学基础知识与数学建模的能力,也要求学生具有较强的运用英语撰写科技论文的能力。”据数学系副教授张达治介绍,学生以3人组成1个代表队的形式参赛,在4天内任选一题,完成实际问题的数学建模全过程,并写出论文。今年2月7日到11日,我校212支队伍经过4天4夜的顽强拼搏,英才学院的李明达、李怡蓓和任博雅组成的参赛队获得 “优于一等奖”,8支参赛队获一等奖,93支参赛队获二等奖。
  “确定题目后,我们一点思路都没有,与交通量有关的数据也不知道去哪儿找。后来在讨论群里看到其他人分享的交通运输方面的网站,我们就挨个点击查看,最终才找到了可用的数据。”谈起美赛建模,李怡蓓记忆犹新。之后,他们开始思考怎样将右行交通规则抽象为数学问题。苦恼之际,李明达瞥见手边的方格草稿纸,突然有了想法:“我们可以把公路抽象为一行一行整齐排列的晶格,把行驶的车辆看成在晶格中移动的晶胞,最后通过编程模拟右行规则。”他的建议立即得到了队友的赞同。在查找资料后,他们才知道这个模型被称作“元胞自动机”,主要用于研究系统整体行为与复杂现象。有了模型的方向,他们分工合作,3个人分别负责理论、编程、实验。在密切配合下,他们最终完成了长达30余页的论文,并获得“优于一等奖”。在知道成绩的那天,李明达微笑着说:“比赛中的纠结、苦恼一扫而空,我们都非常开心!”
  除了沟通问题,美赛建模中的另一个障碍当属英文写作。在翻译队友写的中文论文时,张博翊就遇到了困难,一个中文学术名词在网上找不到英文直译。为了让表达更加准确,他耐心地查找相关文献,值得庆幸的是在一篇论文的摘要中找到了该学术名词的英文解释。有时一种数学模型用中文描述起来都晦涩难懂,翻译成英文就更加困难。为了让论文语句精准、简洁、地道,张博翊费尽“心机”,百度翻译、金山词霸、有道词典、谷歌翻译……写进论文的每一个句子都经过反复推敲和各种翻译工具的验证。
  虽然全身心投入比赛,但建模的过程并不总是很顺利,新颖的模型有时却得不到软件仿真的青睐。任开琳和她的队友在比赛的第三天依然不能拟合出符合题目要求的理想曲线。想到比赛时间过半,一个数学模型都还没完成,任开琳不禁焦急起来。这时,队员李彦霖鼓励她说:“学姐,我们已经学到很多东西了,比赛的过程是最好的奖励!”看着学弟真诚的微笑,任开琳紧张的心情渐渐平复了下来,继续投入到工作中。
  在数学模型的检验部分,队长沈莉娟和她的队友也陷入了困境。车流量和安全系数有什么关系,速度限制对右行规则有多大程度的影响,超车率、减速率在交通公路等级评价中有哪些作用……一系列问题亟待解决,大家的思维却陷入僵局。看着队友担忧的神情,沈莉娟决定让大家暂时放松放松。于是她带着队友绕着学校篮球场跑步。“运动之后,大家的压力都得到了缓解,思路也更加开阔。最后在轻松愉快的氛围中,我们讨论出采用层次分析法来衡量各项因素的相对权重。”在仔细计算后,他们都对结果十分满意。
  程序员、翻译家、数学家……参赛者在不同的角色之间转换,体验着数学建模带来的乐趣。参加过两届数学建模和一次数学竞赛的罗国全说:“这类比赛让我对数学产生了更加浓厚的兴趣。比赛中大家顶住压力,互相鼓励,和志同道合的伙伴一起成长的感觉真是太棒了!”人文学院的邢沁说:“参加这类活动,对文科生来讲是一次很特别的经历,我体验到了数学和逻辑的美丽。”魏谦则说:“比赛最后,我们都疲倦到走不动路了,看着队长一人提着3台笔记本电脑,我不禁流下了泪水,建模的过程令我终身难忘。”