填補(bǔ)國(guó)內(nèi)流體壓縮動(dòng)力領(lǐng)域空白的“推進(jìn)器”———記第十二屆全國(guó)“十佳創(chuàng)新之星———iCAN創(chuàng)業(yè)之星”獲得者王凱甬
3月7日，在北京國(guó)家會(huì)議中心舉行的2019全球創(chuàng)新教育大會(huì)暨第十二屆iCAN原創(chuàng)中國(guó)精英賽上，我校機(jī)械工程學(xué)院王凱甬、裴雷，生命科學(xué)學(xué)院倪新程，商學(xué)院趙詩(shī)倩，外語(yǔ)學(xué)院賈彤彤等幾名本科生的作品《基于條件反射原理的動(dòng)物“機(jī)器人”行為控制技術(shù)》獲得特等獎(jiǎng)。
今年6月，該獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)將代表中國(guó)參加在德國(guó)柏林舉行的第十二屆iCAN國(guó)際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國(guó)際總決賽，向全世界展現(xiàn)中國(guó)大學(xué)生的科技創(chuàng)新實(shí)力。
該團(tuán)隊(duì)的核心成員王凱甬是我校機(jī)械工程學(xué)院2016級(jí)的本科生。他曾獲得2017年第十一屆iCAN國(guó)際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中國(guó)區(qū)總決賽一等獎(jiǎng)、2018年中國(guó)機(jī)器人大賽水下機(jī)器人巡游項(xiàng)目冠軍、2018年iCAN原創(chuàng)中國(guó)精英挑戰(zhàn)賽精英獎(jiǎng)、2019第七屆全國(guó)海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽特等獎(jiǎng)等28項(xiàng)省部級(jí)以上科研競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)，擁有發(fā)明專利授權(quán)1項(xiàng)、實(shí)用新型授權(quán)4項(xiàng)、在申專利6項(xiàng)，被評(píng)為第十二屆全國(guó)“十佳創(chuàng)新之星———iCAN創(chuàng)業(yè)之星”、2018年度鄭州大學(xué)“大學(xué)生標(biāo)兵”，并作為“小平科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”的學(xué)生代表參加了2018年8月在人民大會(huì)堂舉行的第十一屆中國(guó)青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)大會(huì)。目前，他在鄭州大學(xué)大學(xué)科技園注冊(cè)成立鄭州無(wú)槳推進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司（籌），獲得了河南省教育廳“新時(shí)代新夢(mèng)想”創(chuàng)業(yè)幫扶基金支持。
在瀏覽器里搜索“無(wú)槳推進(jìn)器”，數(shù)十條“鄭州大學(xué)無(wú)槳推進(jìn)技術(shù)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白”的詞條出現(xiàn)在屏幕上。無(wú)槳推進(jìn)技術(shù)是王凱甬創(chuàng)造的一項(xiàng)革新技術(shù)。他運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)打造的無(wú)槳推進(jìn)水下機(jī)器人，獲得了第十一屆iCAN國(guó)際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中國(guó)區(qū)總決賽一等獎(jiǎng)?！霸u(píng)委對(duì)我們拿到一等獎(jiǎng)很意外，沒(méi)想到很多學(xué)校在水下機(jī)器人領(lǐng)域幾年的技術(shù)積累，被我們的無(wú)槳推進(jìn)器技術(shù)一年革新。”王凱甬指著桌子上的第一代無(wú)槳推進(jìn)水下機(jī)器人介紹道。他創(chuàng)造的這項(xiàng)技術(shù)在船舶運(yùn)行動(dòng)力方面打開(kāi)了一扇新的大門，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)流體壓縮動(dòng)力領(lǐng)域的空白。
大一時(shí)，考慮到傳統(tǒng)有槳推進(jìn)器的槳葉在水下作業(yè)時(shí)容易被水草和雜物纏繞，王凱甬萌生了用無(wú)槳代替有槳的想法。在機(jī)械工程學(xué)院黨委副書記張宏選和學(xué)長(zhǎng)董斌鑫的支持下，王凱甬開(kāi)始著手無(wú)槳推進(jìn)器的研究。當(dāng)時(shí)他的理論基礎(chǔ)比較薄弱，可供參考的中文文獻(xiàn)又很少，因此王凱甬下載了30多篇外文文獻(xiàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過(guò)深入研究和思考，他發(fā)現(xiàn)可以在“機(jī)翼”兩側(cè)各裝一個(gè)類似于圓環(huán)的前后貫通的涵道，再結(jié)合“柯恩達(dá)效應(yīng)”，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)槳技術(shù)的運(yùn)行。
于是，王凱甬和團(tuán)隊(duì)開(kāi)始將“柯恩達(dá)效應(yīng)”與無(wú)槳技術(shù)結(jié)合起來(lái)。無(wú)槳推進(jìn)器使用涵道式的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)方水體進(jìn)行微壓縮，機(jī)器人在水下運(yùn)行時(shí)由渦輪增壓機(jī)通過(guò)涵道在中間形成內(nèi)圈高壓水流，從而帶動(dòng)涵道中心的靜態(tài)水流動(dòng)，然后反作用于推進(jìn)器，產(chǎn)生較大推力。同時(shí)，無(wú)槳推進(jìn)器率先利用“柯恩達(dá)效應(yīng)”對(duì)出水、入水以及管道進(jìn)行表面優(yōu)化。此外，無(wú)槳推進(jìn)器在設(shè)計(jì)上采用流線型涵道，能高效地將電能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)的動(dòng)能。在一年多的實(shí)驗(yàn)里，令王凱甬印象最深刻的困難是設(shè)計(jì)涵道模型。
由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件有限，王凱甬只能在圖紙上大概計(jì)算出涵道的數(shù)據(jù)，再用十幾個(gè)小時(shí)將模型打印出來(lái)。在近一年的時(shí)間里，他都重復(fù)著這樣的操作，實(shí)驗(yàn)室的桌子上、抽屜里、地板上堆滿了廢棄的涵道模型。他和隊(duì)員們整個(gè)暑假都住在實(shí)驗(yàn)室里，每天晚上工作到凌晨：“我做夢(mèng)都在做實(shí)驗(yàn)，大家早上醒來(lái)洗把臉就繼續(xù)干活?！苯?jīng)過(guò)一年多的實(shí)驗(yàn)，第一代無(wú)槳推進(jìn)水下機(jī)器人在王凱甬團(tuán)隊(duì)的堅(jiān)持和努力下誕生了，并獲得了2017OI中國(guó)水下機(jī)器人大賽二等獎(jiǎng)。
2018年8月，王凱甬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)參加了2018年中國(guó)機(jī)器人大賽。“1200分！冠軍！”隊(duì)長(zhǎng)王凱甬在比賽現(xiàn)場(chǎng)大聲喊道。由他們打造的鄭州大學(xué)水下巡游機(jī)器人憑借著出色的表現(xiàn)奪得了機(jī)器人水中巡游項(xiàng)目的冠軍。與此同時(shí)，他們還參加了機(jī)器人水下對(duì)抗項(xiàng)目的比賽。參加對(duì)抗項(xiàng)目的機(jī)器人，是王凱甬在距離比賽僅剩下不到一周的時(shí)間里再次創(chuàng)新的?！皬乃芰鲜值浇饘偈郑且淮渭夹g(shù)的突破?！蓖鮿P甬說(shuō)。
前幾年的參賽機(jī)器人均使用PLA塑料材質(zhì)的機(jī)械手，在激烈的爭(zhēng)奪戰(zhàn)中經(jīng)常斷裂，以致在比賽中常處于被動(dòng)的局面?！耙朐趯?duì)抗賽里獲勝，機(jī)器人的手臂必須有足夠的力量應(yīng)對(duì)敵方的攻擊，并成功搶到球?！币虼?，王凱甬采用新工藝的鋁合金機(jī)械手，利用CNC數(shù)控加工鋁板，通過(guò)機(jī)械配合的方式組裝成立體機(jī)械手，解決了之前存在的弊端，“這才讓我們的機(jī)器人更加堅(jiān)固有力，最終獲得了對(duì)抗項(xiàng)目的三等獎(jiǎng)?！?br> 憑借著在無(wú)槳領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新和求索不止的精神，王凱甬最終站在了第十二屆“十佳創(chuàng)新之星———iCAN創(chuàng)業(yè)之星”的頒獎(jiǎng)臺(tái)上。在第十二屆iCAN國(guó)際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中國(guó)總決賽開(kāi)幕式上，王凱甬作為參賽學(xué)生的唯一代表發(fā)言，并介紹了他新提出的技術(shù)———基于條件反射原理的動(dòng)物“機(jī)器人”行為控制技術(shù)。
“運(yùn)用仿生技術(shù)可以做出很逼真的動(dòng)物，但仿造的動(dòng)物永遠(yuǎn)不如真實(shí)的動(dòng)物，所以我就想，能不能發(fā)明一套技術(shù)直接控制動(dòng)物的大腦？”帶著這樣的疑問(wèn)，王凱甬產(chǎn)生了利用動(dòng)物的應(yīng)激反應(yīng)能力控制動(dòng)物行為的想法。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)，將烏龜對(duì)不同的光線、波長(zhǎng)等刺激的反應(yīng)，集成到一個(gè)設(shè)備上，然后將該設(shè)備罩在烏龜?shù)纳眢w上，通過(guò)遙控器控制設(shè)備，從而控制烏龜?shù)男袨?。?dāng)烏龜?shù)难劬ο蛴疑辖强磿r(shí)，在其視線的延長(zhǎng)線上打開(kāi)安裝好的LED燈，烏龜?shù)难劬κ艿焦獾拇碳?，便?huì)將頭轉(zhuǎn)向其他方向?！白尀觚敶娲瑵撊胨祝覀?cè)陉懙厣舷蜃罂刂七b控器，烏龜就會(huì)向左爬。烏龜以比機(jī)器人更小的體積、更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性實(shí)現(xiàn)了水底多維運(yùn)動(dòng)?！蓖鮿P甬說(shuō)。
“這種利用光電技術(shù)設(shè)計(jì)的穿戴式控制技術(shù)，在一定程度上突破了仿生技術(shù)難以達(dá)到的技術(shù)高度，與現(xiàn)有的仿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能性互補(bǔ)?！蓖鮿P甬說(shuō)。2018年10月，該技術(shù)已經(jīng)可以非常準(zhǔn)確地控制烏龜。隨后，王凱甬將對(duì)雞、鴿子等禽類動(dòng)物進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，收集控制數(shù)據(jù)。如果成功，將來(lái)有望利用鴿子更靈活的運(yùn)動(dòng)方式和更廣闊的運(yùn)動(dòng)范圍取代航拍器進(jìn)行航拍。除此之外，該技術(shù)還能應(yīng)用于特殊場(chǎng)景下的偵查、地質(zhì)探測(cè)、特種任務(wù)實(shí)現(xiàn)等領(lǐng)域。
憑借著這個(gè)可以“直接控制動(dòng)物大腦”的技術(shù)，在第十二屆iCAN原創(chuàng)中國(guó)精英賽上，王凱甬帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)從參賽的35支隊(duì)伍中脫穎而出，獲得特等獎(jiǎng)。
在指導(dǎo)老師張宏選看來(lái)，王凱甬取得的科創(chuàng)成績(jī)主要取決于他平時(shí)勤學(xué)好問(wèn)、堅(jiān)韌不拔的品質(zhì)。“他平時(shí)非常善于思考，不是把看到的物品看作終極產(chǎn)品，而是看作可以利用或改良的工具，而且他敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，敢于不斷突破自我。雖然‘無(wú)漿’失敗了很多次，但他一直在堅(jiān)持，從不放棄?！睆埡赀x說(shuō)。作為“小平科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”深藍(lán)科技部的副部長(zhǎng)，王凱甬在全身心投入科創(chuàng)的同時(shí)，還積極組織和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員一同進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目，不斷取得新成果。
機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的燈光依舊亮到深夜，王凱甬正在向下一個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)———將無(wú)槳推進(jìn)器應(yīng)用到飛機(jī)上?！拔覈?guó)在無(wú)槳推進(jìn)領(lǐng)域還有許多有待進(jìn)一步研究的方向，亟需我們青年人的投入和參與。同時(shí)我也想把自己的科技成果推廣運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活中，不能讓它們躺在實(shí)驗(yàn)室里，而要讓它們實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值?！彼Ｍ约簩?lái)可以在海洋船舶領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)深造，為我國(guó)船舶事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的青春智慧和力量。
