仿生机器人活动的巨大魅力

发布者:张伯远发布时间:2016-05-03浏览次数:939

仿生机器人是仿生学的启发和延伸,非常适应中小学生智力的开发和创新。仿生学(Bionics)是模仿生物的特殊本领的一门科学。仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理,并把它模式化,然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备和机器。

1960年第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志:一个巨大的积分符号,把解剖刀和电烙铁积分在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成,而且也概括表达了仿生学的研究途径和运用方法。自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程,使它们能适应环境的变化,从而得到生存和发展。生物具有的功能迄今比任何人工制造的仿生学机械都优越,例如:


1、信息接受(感觉功能), “蝙蝠”会释放出一种超声波,这种声波遇见物体时会反弹回来,而人类是听不见的。雷达就是根据“蝙蝠”的这种特性发明出来的。现在在许多地方都会用到雷达。


2、神奇的冷光源(视觉功能),大家还记得:2014年诺贝尔物理学奖的奖项是“蓝光LED”吧?而自然界中的“萤火虫”约有1 500多种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色等各种不同的光,光的亮度也各不相同。“萤火虫”发出的冷光不仅具有很高的发光效率,而且发出的冷光一般都很柔和很适合人类的眼睛,光的强度也比较高。因此,生物光是一种人类理想的光。


3信息传递(神经功能),“苍蝇”是细菌的传播者,谁都讨厌它。可是“苍蝇的楫翅”是“天然导航仪”,人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上,实现了自动驾驶。“苍蝇的眼睛”是一种“复眼”, 苍蝇的“复眼”包含4000多个可独立成像的单眼,能看清几乎360°。人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件,在蝇眼的启示下,人们制成了由1329块小透镜组成的一次可拍1329张高分辨率照片的蝇眼照相机,在军事、医学、航空、航天上被广泛应用于自动控制等系统,这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了人类很大启发。

随着生产的需要和科学技术的发展,从20世纪50年代以来,人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一,自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究,促进了生物学的极大发展,对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想,而成了人们可以做到的事实。生物学开始跨入各行各业的技术革新、技术革命和技术创新的行列,并取得了丰硕的成果。

仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。仿生机器人有他的体系结构,体系结构就是指为完成指定目标的一个或几个机器人,在信息处理和控制逻辑方面的结构方式。体系结构包括功能分解和行为分解。基于功能分解的体系结构在人工智能上,属于传统的慎思式智能,即:按照“感知一规划一行动”的模式进行信息处理和控制。基于行为分解的体系结构在人工智能上属于现代的反应式智能,即:按照“感知——行动”的模式,进行信息处理和控制。

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人类祖先是从爬行开始逐步变直立行走的 。由于气候的变化,导致森林面积减小,能直立站起来的人类祖先,就能意外地有机会获得更多的珍贵食物,生存下来。在与其他动物的竞争中,直立行走的动物一方更占优势,久而久之人类的直立行走就成为了一种常。由于地球上一切物体都受到地心引力的影响,都存在重力。所以,直立行走为常态的人,他们的思维和语言得到迅速的发展,人们在模仿自然、利用自然、改造自然方面做出了巨大的贡献。今天我们开展和参加仿生机器人活动,就是为了更好地开发我们的智力,去模仿自然、利用自然、改造自然,创作出更多、更好的新设备、新机器。

江苏省Power tech仿生机器人创意活动,要求中学组制作的仿生机器人只涉及到四足和游离的2类。而爬行动物有四足、二足和游离的三类。

下面我们先研究四足动物的运动规律(以马为例):

马走路时四肢运动方式是对角线换步法,即:左前右后,右前左后的交替循环。前肢和后腿运动时的关节屈曲方向是相反的,前肢腕部向后弯,后肢跟部向前弯。马的小跑是属于一种轻快地走步动作,四肢的运动规律基本上也是对角线交换的步法。与慢走稍为不同的是,对角线的两足是同时离地、同时落地。马大跑的步伐不用对角线步法,而是左前右前,左后右后交换的步法,即前两足和后两足的交换。奔跑是最快的一种步伐,运动方式也是两前足和两后足交换的步法。

其次研究爬行动物的运动规律(以蚕和毛毛虫为例):

蚕和毛毛虫的运动方式我们见的很多,它们前进或后退都是利用以屈求伸的方式来进行的,在它们的身体底部还生长着好多小吸盘,作用应该是防滑和吸住。

Power Tech 青少年科创竞赛”是台湾中华创意发展协会于2000年发起组织的。“Power Tech 青少年科创竞赛”就是仿生学的延伸、就是制作模仿生物、从事生物特点工作的机器人的创意活动。 “Power Tech 青少年科创竞赛”是利用干电池和小型直流电机作为动力。利用蜗杆、涡轮和变速箱原理来进行简单的机械传动。巧妙地利用数字电路中的RS触发器,微动开关进行竞速接力传递。并利用简单板材制作骨架。最后,要求同学们走进大自然,发挥和挖掘丰富的想象力和创新、创作力为仿生机器人制作造型。比赛宗旨是培养学生“好思考、喜思考、乐创作、肯创作”的良好思维习惯。为学生创造独立动脑、动手的机会,充分激发学生的科技创作潜能。活动较严格的时间限制,也要求学生必须具备团队合作精神与默契,及时“发现问题、处理问题、解决问题”,才能按时完成作品完成比赛。

 “Power Tech 青少年科创竞赛”还有统一规范的竞赛规则。规则规定:竞赛时,参赛队员只能带基本、手动工具和A4图纸进场,现场统一发材料包。创意制作是在3小时内,将触发器、电动机、齿轮、木板、木棒加工成三个仿生机器人,且全过程必须独立完成、独立调试,然后用现场制作的机器人参加规定项目的比赛。如:“万兽之王”要求能像老虎一样四脚行走; “虫虫危机”要像毛毛虫一样蠕动爬行;“龙猫巴士”要能像巴士一样四轮前进,这三只仿生机器人还须在规定时间类内完成交接

2015年,在校领导的全力支持和师生们的共同努力下,我校组织参加了两次仿生机器人大赛,均取得了骄人的成绩。20151031由江苏省教育厅、省文明办、省科协、省科技厅立项主办“江苏省Power Tech仿生机器人创意大赛”,在南京金陵中学河西分校隆重举行,南京外国语学校派出4支队伍参赛,这4支队伍中的16位同学,通过2个月的系统学习和刻苦训练,在2015年江苏省Power Tech仿生机器人创意大赛中,取得了不错的成绩。其中《南京外国语学校二队》郭翘楚、王佳翼、韩欣然、陈煜欣获特等嘉奖季军;《南京外国语学校四队》李尧、明嘉浩、史博然、丁英芪获特等奖;《南京外国语学校一队》蔡康嘉、沈童童、刘锐、郑文睿获二等奖;《南京外国语学校三队》刘雨辰、陈玥如、刘思远、张海川获二等奖。通过这次比赛,同学们得到了许多意想不到的收获。请看南京外国语学校二队》获特等奖季军的作品:

标牌——“龙舟撒粽子”作品——“龙舟撒粽子”

标牌——“舞狮迎新春”“舞狮迎新春”

标牌——“玉兔拉萝卜”作品——“玉兔拉萝卜”

《南京外国语学校二队》队长郭翘楚说:“作为电子工程大学专业的申请者,我对电子和机械的了解却从没有跳离计算机,处理器和电路板,对齿轮发动机和锯木头这些上个世纪的东西却束手无策。仿生机器人大赛让我从零开始,用手摇钻和钢丝锯重新探索制作的含义。使用简单的由木板、螺钉、齿轮变速箱和简易发动机做材料,目标是将这些纯手工机器人分别做出类似豹子,蠕虫和汽车的前进动作,在罗老师的指导下,我们经历了很多。这些仿生机器人看似极为简单,但制作过程中却不断跳出新问题,如发动机被烧坏,齿轮打损、机器人走偏。同样的制作流程每次都会出现不同问题,在老师的反复指教下,我们意识到自己发现问题、处理问题、应变解决问题的能力,远远高于特定问题的解决方法。如果不是这个比赛的原始材料和要求,依我们的水平,是难以发现和解决那么多稀奇古怪的问题的。因为木板、螺钉的可操作性非常机动灵活,这使得我们的检修经历,变成了我们发挥独立思考能力的机会。这种满足感对于我们这些初学者非常重要,他重塑了我们的自信,增加了我们的兴趣,它使我们摇身一变,体会到工程师设计、创新的快乐,对待机械问题的信心也大大增加。另外这个比赛的团队协作要求极强,让队友在活动中学会信任和担当,这也使比赛充满了友谊和欢乐。总之,这个比赛重塑了我对电子、机械的热爱和理解,在申请美国大学的面试中,面试官也跟我颇有兴致地谈起这段经历,无论从过程还是结果来看都是一次收益匪浅的经历”。

201512月,郭翘楚同学被美国宾西法利亚大学M&T项目录取,该项目是宾大沃顿商学院和宾大工程学院联合设立的一个双学位项目,它的关注点就在于培养管理与技术兼顾,人文情怀与科技创新平衡的未来商业领袖20162月,韩欣然同学也收到了美国宾西法利亚大学的录取通知。

《南京外国语学校二队》队员王佳翼同学说:“回想参加2015江苏省Power Tech仿生机器人创意大赛的经历,让我体会最深的应该是高强度的思维动手、极佳的默契合作、细节上的创新这三个词。大赛从上午为时3小时的三个机器人的制作阶段,到下午环环相扣的接力,拖重,拔河三轮淘汰赛,紧张的时间使得精神和思维始终绷紧。接力时一个同校的队伍因为一个小小的螺丝没有上紧的原因遗憾出局,可见细节与速度需并重。比赛的高强度让人的能力得到最大的锻炼与发掘,一次次紧张的准备与晋级,仿佛攀登一级级台阶,十分精彩。“合作”更是一大关键词,经过比赛前多次制作训练,大家形成了熟练、默契的分工,比赛前一晚我们又再一次在一起确认了分工流程,保证了比赛制作过程中的流畅和高效。比赛时的调试阶段对团队合作提出了更高的要求,我队两名队员留下调试机器人,一名队员关注赛况进程,一名队员观察其他队的调试技巧,偷学一些小窍门。在最后的拔河四强比赛中,我们败给了冠军队,旁观冠亚军争夺赛时,发现双方都对机器人的脚底进行了创新的改造,使得承受力面积更大。这种细节的创新最终被证明是取胜最关键的地方,我们也输得心服口服,更将这一教训暗记于心,在统一的规则下对于细节之处的创新改造往往能造就奇迹,思维永远不该被约束。制作仿生造型的过程,是我们走进自然,尊重自然、学习自然的极好机会。万兽的流苏、虫虫和龙猫身上的小动物都是我们亲手制作的。回想参加这次创意大赛的经历,我所得到的锻炼与收获十分宝贵,我会格外珍惜这份美好精彩的记忆,衷心祝愿“Power Tech仿生机器人创意大赛”活动开展得越来越好。在被保送上海交通大学的选拔过程中,我把参加这次仿生机器人大赛的经历,写在了我递交给上海交通大学的个人简历里,面试时老师专门问了我,有关与这个比赛相关的许多问题。她将永远留在我的记忆深处”。20163月,王佳翼同学被保送到上海交通大学,祝贺她们!

比赛结束后,他们拿着自己的参赛作品,在镜头前留下了美好的记忆,露出了灿烂的笑容。

图左起:郭翘楚、王佳翼、韩欣然、陈煜欣。

20151219《南京外国语学校中山队》 赴台参加“2015 Power Tech华人区科技之星创作竞赛”活动。同学们通过3个月的系统学习和紧张训练,在“2015 Power Tech华人区科技之星创作竞赛”中,一举获得Mini—Com中学组“冠军”、 荣获Mini—Com国中组 积分奖“特优”、 荣获Mini—Com中学组 总积分奖“季军”。

我们南京外国语学校,是从20159月才开始涉足这项活动的。所以,这次谁也没料到我们南外会冲进前八强。《南京外国语学校中山队》的领队兼总教练罗雪华老师和队员沈童童、刘思远、陈玥如、明嘉浩在短短的3个月中付出了很多很多,同样也收获了很多。我们《南京外国语学校中山队》是一个团结、友好、战斗的集体。大家既有共同的兴趣爱好,又有不同的兴趣延伸,同学们平时互相关心、相互学习、互相帮助、取长补短共同提高,在创作中享受快乐。

《南京外国语学校中山队队长高一5班的沈童童说:出发时我们信心百倍,因为我们深知:机会总是留给有准备的人的,我们抓住每一分可利用的时间,在培训中罗老师教我们学会了看图、绘图、修改图,还亲眼见识了激光雕刻机操作的全过程。我们学会了基本工具的使用,学会了木工划线、割据;学会了金工组装、紧固各种另配件;还意外地学会了电工焊接、接线,数字电路中的触发器工作原理和操作方法,见识了LED循环灯的制作;收获太大了。我们《双龙戏珠》造型主体的龙头是3D打印的,龙尾是美术才女刘思远制作的,想必一定能吸引评委的眼球,激光雕刻机的启动,也为我们的训练找到了一条通往胜利的捷径,节省了大量的割锯木料和钻孔时间。训练开始就可以在老师的指导下直接组装、调试,得以尽快地从中得到感受、启发和悟性。在训练时我们每个队员团结合作、分工负责,加上平时训练有素,方法得当,尤其是负责万兽之王的陈玥如、明嘉浩同学,在练习的时候他们谁都说服不了对方,总是先吵,再做,再比,再改。于是在上一次省级比赛的基础上,万兽之王又有了较多改进。这次赴台参加2015 Power Tech华人区科技之星创作竞赛”,我们取得了很不错的成绩,但比起在训练和比赛期间收获的种种,成绩和名次真的是微不足道。

《南京外国语学校中山队》队员初二8班的刘思远同学说:这是我第一次参加这样的大赛,我一直都以为比赛就是为了拿奖,可直到走上领奖台,我才顿悟,原来一个比赛的训练过程,可以让我收获这么多,这远比一个名次、一个奖项的价值要高得多。参加比赛之前,我真的不敢说自己会什么,因为现在的我们,都是在享受着家长为我们创造好的一切,过着衣食无忧的生活,从来没有想过,有一天我们要拿起最基础的工具和材料,制作出能爬、能走、能跑的机器兽,这实在是一种锻炼。仅在综合楼415的教室里,我们接触到了平时看不到、摸不到、用不到的工具,体会到了劳动人民的智慧、勤劳、充实与伟大,发现了自己的渺小与无知,感受到了创意、创新与创作的乐趣和重要。此次比赛带给我最大的收获,是教我学会了处理问题和解决问题的方法和能力。在手工制作中,难免会遇到各种各样的问题,开始接受训练的我毫无头绪,什么事都首先想到去找罗老师,而不是自己去琢磨、去思考。而罗老师的指导和启发总让我们恍然大悟、茅塞顿开,感叹只是稍稍改变思维方式就会成功,可为什么自己想不到,是没有去想?还是不敢想?思维有界限,但是你自己定下的,也只有你自己才能打破。慢慢地,我们开始自己去寻找、探索解决问题的办法,比如说机器兽的造型,我们采用3D打印的方式,可以说是走了一条捷径,但是却没有完全计划好应该怎样将其固定在机器兽上。造型做完后,我们花了很多时间和精力来固定造型。为了方便拆装,我们所有的外形都用螺丝固定,看似毫不相干的两者要融为一个整体,机器兽的造型也是我们十分引以骄傲的部分。只是花费了很长的安装、调试时间,浪费了可以训练的时间,使我们非常遗憾。罗老师批评了我们,也及时用激光雕刻机为我们雕刻出两者相结合的造型底板,帮我们解决难题,并对我们进行指导和帮助。这让我们明白,做任何事都要心中有计划、有步骤。有了计划再行动,总比没有计划错了后重来好,磨刀不误砍柴工。同时我也认为,这一次的成功,离不开老师和我们全体队员的执着和坚持。因为,比起其他参赛队伍,我们的时间太短,经历也实在太少了,但我们从未退缩,老师的鼓励和指导,给予我们源源不断的信心、勇气和力量,我们享受了过程,收获了成果。太值了!

20151219在台湾师范大学的赛场上,竞争十分激烈。2015 Power Tech青少年科技创作竞赛规定:进入32强的队伍,只允许一位穿红背心的队员带上本队的机器兽,独立进行改装、检验、称重入场。初二8班的陈玥如,是我队派出的进入前32强争霸的唯一一位选手,他端庄秀丽、沉着稳重,因为她在训练中经历过太多太多。三只机器兽接力赛通过后才能进入32强,最后就只剩下万兽之王,肩负重任去参加拔河决赛了。万兽之王分快、慢两种速度。在进入32强后,只允许万兽之王参加拔河,规则还规定:拔河之前每队只能派一名队员进场,在20分钟内,完成十个动作的调整、改变。

《南京外国语学校中山队》队员初二8班的陈玥如说:万兽是我负责的,在练习时我对此已经非常熟练了,可进场后主持人突然宣布时间减半,不禁使我微微有些慌乱。我还算有调理地改变了摇臂上几个动作,加长连杆。触控器缠到了造型上,我干脆利落地剪断卸下,换上拔河的框架和电路。时间只剩下一分钟,周围的人都还在忙碌。我又将配重用的砝码固定在万兽的两只前脚上,确定重量不超过规定的700克。还剩十几秒,我突然想到拔河时可能会没电,急忙更换了电池。最后确定所有螺丝上紧,在哨声中放下了螺丝刀。第一场我们对阵的是一只身躯较长,但结构并不复杂的万兽,比赛是三局两胜制,前两局我就轻而易举的取胜。进入前16强,在一片掌声中,我转身向队友致意,又紧了紧螺丝,很快就迎来了第二场。第二场对阵的,是一个台湾女生拿着的结构和我做的很不一样的万兽之王,前脚很大,后脚很小,我们大陆几个队做的后脚都很大。台湾研究这项比赛有十六年了,而我在训练的三个月里也在不停的改变结构。对手的结构是很好的,但我发现她后脚的防滑是用双面胶粘的——肯定不牢。但第一局她赢了,在第二局激烈的拔河中,对手万兽脚上的防滑垫掉了,没了防滑就失去了威力,我想机会来了,第二局我很幸运的赢了,紧接着我们迎来了第三局,决胜局的拼搏。短暂交换场地后,她急忙装牢防滑垫,我友好地提醒她不要着急,慢慢来。决胜局中,她的万兽之王,在15秒内彻底地被我拉散了结构,我们队胜利晋级前八强,只听到身后一片热烈的掌声,我们又赢了。哇!我们进入了前8强,我再一次给万兽洗洗脚,用袖子擦了擦防滑垫,进入了8强抗争(拔河)。对手实力太强,结构高、后脚小——力量集中在一点上。下一次我们学校参赛时,可以再在结构上进行创新,超越这次季军的成绩。

下面是南京外国语学校中山队》在2015 Power Tech华人区科技之星创作竞赛”中,荣获Mini—Com中学组“冠军”、 荣获Mini—Com国中组 积分奖“特优”、 荣获Mini—Com中学组 总积分奖“季军”现场制作的参赛作品:

标牌——“彩龙”作品——“彩龙”

标牌——“宝珠”作品——“宝珠”

标牌——“白龙”作品——“白龙”

大赛结束了,在国立台湾师范大学颁奖大会上,广播里传出了一个令人振奋的声音——2015 Power Tech华人区科技之星创作竞赛全能季军《南京外国语学校中山队》,台下响起了热烈的掌声,《南京外国语学校中山队》的老师和同学们开心地走上领奖台,接收颁奖,并留下了灿烂美好记忆。

根据十三五规划纲要草案,未来5年,我国将在高端装备生产、航空航天、海洋、新能源汽车等领域加大投入。这些都需要青年学生们,在中学阶段做好充分准备,需要跨学科的思维能力,这对于成长为大师、科学家和高级工匠来说,是必不可少的储备。为了更好地培养学生的创新精神和实践能力,我们要坚定不移地实施创新驱动发展战略,抓住基础技术、通用技术。我们南京外国语学校,还为同学们提供了丰富多彩的选修课(包括仿生机器人与激光雕刻)、同学们独创的各种社团、俱乐部都为同学们兴趣和梦想的实现,提供了良好的土壤。

2016新学期的开学典礼上,南京外国语学校邹正校长以《兴趣、忘我、快乐》的发言,引导、激励着同学们,并亲切地对同学们说:“在新的一年里,我想送给同学们六个字,那就是:《兴趣、忘我、快乐》我们一起共勉。兴趣是同学们最好的老师,我们每一位同学都要认真地问一下自己,自己的兴趣到底是什么?自己的人生目标又在哪里?其实,大多数同学并不能确认自己最感兴趣的领域。兴趣在一个相对宽松的环境中才能产生,兴趣是需要去寻找和培养的”。我们南京外国语学校还引导学生,从丰富多彩的大自然和社会中、从最普通平凡的日常生活中、从身边的每一件小事中、从科技的最新发现中,去寻找自己的兴趣所在。树立坚定的自信,去结交自己的知心朋友,为走向世界实现梦想奠定扎实的核心素养,快乐、自信、踏实、执着地去为着一个明确的目标努力奋斗吧。“2016江苏省Power Tech仿生机器人创意大赛”将于201610月在南京举行,愿同学们插上仿生的翅膀(配好楫翅),去实现人生的梦想吧!


撰稿   高中通用技术老师 罗雪华

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