英才計(jì)劃助力科技?jí)粝敫淖兪澜?/h1>
2024-06-07 08:43:07李翰璘
中國科技教育 2024年4期
我的爺爺是一位機(jī)械工程師，在我很小的時(shí)候，親手給我做了很多有趣的手工玩具，在我幼小的心田里種下了科技的種子。上幼兒園后，我對汽車非常感興趣，并迷上了樂高機(jī)械組汽車搭建，最復(fù)雜的有多達(dá)4 000 余個(gè)零件，但幼小的我卻樂此不疲。初中時(shí)，我系統(tǒng)學(xué)習(xí)了VEX 機(jī)器人和計(jì)算機(jī)語言，為后續(xù)機(jī)器人搭建和編程打下了基礎(chǔ)。
從幼年到少年，我始終對科技懷有濃烈的興趣，夢想成為一名用科技改變世界的工程師。我也在努力實(shí)現(xiàn)夢想，在和父母一起規(guī)劃學(xué)業(yè)時(shí)，我了解到中學(xué)生英才計(jì)劃，如果被錄取，我將可以像研究生一樣跟著教授研究課題。2022年底，經(jīng)過母校推薦和市里的層層選拔，我幸運(yùn)地成為同濟(jì)大學(xué)的英才計(jì)劃學(xué)生，在徐軍教授的指導(dǎo)下研究水下機(jī)器人。
確定研究課題
我的英才計(jì)劃研究課題來源于自己對海洋環(huán)境污染的關(guān)注。很多國家在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長的過程中造成了嚴(yán)重的水污染，比如海洋和河流里的化學(xué)污染物、垃圾，石油管道滲漏造成的污染等，我還親眼看到自己小區(qū)的居民把塑料瓶等各類垃圾扔進(jìn)河里，因此就有了研發(fā)水下機(jī)器人改善生態(tài)環(huán)境的想法。開始時(shí)，我了解到針對水下機(jī)器人已經(jīng)有了一些相關(guān)研究，市場上也推出了一些產(chǎn)品。但是現(xiàn)有的研究和產(chǎn)品都存在較為突出的缺陷，比如絕大多數(shù)都使用螺旋槳推進(jìn)，產(chǎn)生的噪聲和波動(dòng)會(huì)影響水下生態(tài)環(huán)境。為解決這一問題，我從仿生角度出發(fā)，汲取了海龜?shù)乃淖憬Y(jié)構(gòu)并結(jié)合魚鰭的流體動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢，采用FLOW-3D仿生模擬得到不同形狀的魚鰭在流體中對機(jī)器人游泳效率的影響，并通過與實(shí)物驗(yàn)證相結(jié)合的方法，開發(fā)了旨在保護(hù)水體環(huán)境的仿生水下機(jī)器人。
必須承認(rèn)，這一課題具有相當(dāng)大的難度，正是因?yàn)橛⒉庞?jì)劃給予的支持，才讓我有了堅(jiān)持下去的底氣。非常感謝徐軍教授對我的選題和方法給予的積極肯定，以及提出的更加具體可行的思路。我與徐教授團(tuán)隊(duì)的第一次線下見面是在2023 年的1 月30 日。春節(jié)假期一結(jié)束，徐教授和王博士、薛博士便熱情地接待了我，讓我在上海的寒冬里倍感溫暖。為了這次面談，我提前準(zhǔn)備了PPT，向徐教授團(tuán)隊(duì)介紹了關(guān)于仿生水下機(jī)器人研究方向的一些思考。我主要提出了兩個(gè)方向：第一個(gè)是仿生海龜?shù)乃淖憬Y(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)鰭使它既能行走也可以推進(jìn)機(jī)器人游泳；第二個(gè)是機(jī)器人游泳方式的動(dòng)力學(xué)研究，研究目的是提升機(jī)器人的游泳效率。徐教授和2 位博士跟我一起頭腦風(fēng)暴，給了我很多建議，他們耐心細(xì)致的指導(dǎo)讓我很感動(dòng)。
在接下來的2 個(gè)月中，我經(jīng)過反復(fù)調(diào)研，與徐教授反復(fù)探討，最終確定了課題：學(xué)習(xí)如何把物理學(xué)原理應(yīng)用到工程實(shí)踐，開發(fā)仿生水下機(jī)器人，用仿真數(shù)字模擬和真實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對比探究鰭的形狀對機(jī)器人游泳效率的影響，從而實(shí)現(xiàn)高效水下機(jī)器人開發(fā)的目標(biāo)。
多方面能力得到提升
在科研過程中，我得到了徐軍教授的指導(dǎo)，享受到了同濟(jì)大學(xué)的學(xué)習(xí)資源，多方面能力得到了提升。首先是科研必備的工具知識(shí)，熟練掌握了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制圖、電子部件設(shè)計(jì)和調(diào)試、大學(xué)物理、AutoCAD、SolidWorks， 以及Arduino 編程等； 學(xué)習(xí)了FLOW-3D仿真模擬軟件的操作方法，包括搭建物理模型、設(shè)置仿真環(huán)境、創(chuàng)建網(wǎng)格塊、設(shè)定邊界條件，以及設(shè)置運(yùn)動(dòng)物體的速度參數(shù)，并將這一前沿技術(shù)有效應(yīng)用在機(jī)器人的效率提升上。在此基礎(chǔ)上，徐教授團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)我進(jìn)行實(shí)踐操作，比如熟練使用3D 打印機(jī)、激光切割機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，并掌握了實(shí)驗(yàn)方法，多次開展水下實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行反復(fù)測試和改進(jìn)。此外，我還學(xué)習(xí)了如何撰寫科研日志、科研論文、成果匯報(bào)文件等圖文內(nèi)容，提升了總結(jié)的能力。
收獲滿滿的一年
通過英才計(jì)劃1 年的培養(yǎng)，我收獲滿滿，實(shí)現(xiàn)了一直以來的科研夢想。在科研過程中，將物理學(xué)知識(shí)應(yīng)用到科研實(shí)踐，創(chuàng)新性地探究了利用魚鰭在流體動(dòng)力學(xué)上減阻和推進(jìn)的優(yōu)勢，以及不同魚鰭形狀對于游泳效率的影響，并將研究拓展到工程應(yīng)用上，在物理和工程的跨學(xué)科研究方面收獲頗豐。在克服了很多困難后，我成功地應(yīng)用了本課題最關(guān)鍵的技術(shù)FLOW-3D 流體數(shù)值研究，用仿真模擬和實(shí)物驗(yàn)證相結(jié)合的方法達(dá)成研究目標(biāo)并驗(yàn)證了本課題的假設(shè)。最后，我收獲和儲(chǔ)備了大量的科研知識(shí)和技能，為未來的專業(yè)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)，我大膽設(shè)想、自我學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力得到了提升，比如在解決復(fù)雜工程問題時(shí)，我學(xué)會(huì)了利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)設(shè)備條件實(shí)現(xiàn)柔性材料的高難度仿真模擬。
最后，感謝同濟(jì)大學(xué)徐軍教授團(tuán)隊(duì)，感謝英才計(jì)劃辦公室的老師；感謝我的母校上海星河灣雙語學(xué)校給予的大力支持；感謝我的父母給予的無限關(guān)愛和鼓勵(lì)！感謝英才計(jì)劃的培養(yǎng)，希望有更多的學(xué)生在這里學(xué)習(xí)本領(lǐng)、實(shí)現(xiàn)夢想，一起用科技改變世界。
李翰璘
2023 級(jí)中學(xué)生英才計(jì)劃物理學(xué)科學(xué)生
就讀于上海星河灣雙語學(xué)校，師從同濟(jì)大學(xué)徐軍教授。培養(yǎng)期間完成課題“基于海龜四足結(jié)構(gòu)與魚鰭動(dòng)力學(xué)的高效水下機(jī)器人開發(fā)”。
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