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科学振兴中华,创新创造未来——记一位00后“少年科学者”

2022-01-14 21:47:55

科学振兴中华,创新创造未来——记一位00后“少年科学者”

“少年智则国智,少年富则国富;少年强则国强,少年独立则国独立;少年自由则国自由;少年进步则国进步;少年胜于欧洲,则国胜于欧洲;少年雄于地球,则国雄于地球。”
——百年前,清末的梁启超在散文《少年中国说》中如此期冀。
从“科学救国”到“科技兴国”,中华民族伟大复兴之路百年历程的灌溉孕育,铸就了我们一代又一代“科技创新新青年”,曾经被称为“垮掉的一代”的80后,“自私的、叛逆的一代”的90后,都在时代发展中展现出群体的独特魅力和贡献,而在2019年举办的第五届“互联网+”大赛面向中学生开设的萌芽板块中,00后、10后所表现出的自信和创新意识让前去视察的教育部高教司司长吴岩惊叹不已:“假如在一亿多中小学生的心田里,都种下一颗‘我敢闯我会创’的自信种子,那我们国家就会涌现出更多的少年‘钱学森’、少年‘屠呦呦’,他们可以成为中国乃至世界的英雄。”
——这样令人惊叹的时代级现象,在一个普通的00后少年的成长过程中展现得淋漓尽致:
李泽铭 2003年出生在清华大学机械工程系先进成型制造实验室完成2项发明专利、2项实用新型专利(2019年公开)第14届ICIRA智能机器人与应用国际会议入选论文(第一作者)第40届北京青少年科技创新大赛一等奖第37届北京青少年科技创新大赛二等奖北京工业大学青少年科技创新奖北京市翱翔计划主论坛优秀学员互联网+大学生创新创业大赛入围决赛奖
这样多的荣誉和成果,放在过去的年代里,一定是家族、十里八乡口口称颂的“天之骄子”,是学校、主管教育系统乃至政府“榜上有名”的重点培养和保护对象。而这些对于李泽铭来说,他却习以为常,也从不曾表现出异于常人的骄傲。这所有的一切荣誉和成果,在他们这一代身上,就像是衣食住行一样,是普通、世俗的常识——这时代仿佛让人看到了春秋时期的诸子百家争鸣,民国时期各行各业惊才绝艳的“大家”辈出……对于李泽铭来说,将时间精力投入到一项研发中并获得成果并不是一件遥不可及的事情,这是他的学习,是他的兴趣,也是他生活的日常。
前不久,李泽铭刚刚独立研发并设计出一个机器设备,是用来给短道速滑专用冰刀鞋上的冰刀进行自动磨削的。

图一:李泽铭与自己设计的冰刀自动削磨机成品合影留念
对于大部分老百姓来说,短道速滑这个运动项目还是一个陌生的领域,即使是冬奥会期间看短道速滑比赛热血沸腾的忠实观众和热爱短道速滑运动的普通粉丝,大概也不会有几个人能够关注到:短道速滑专用冰刀鞋上的冰刀,原来都是需要人工打磨的……
冰刀鞋是冰上运动的必备器材,根据不同比赛类型可分为花样冰刀、冰球刀、速滑冰刀。对于专业运动员来说冰刀打磨技术的高低会直接影响到比赛成绩,尤其是短道速滑用的冰刀。
短道速滑的比赛场地为椭圆形跑道,一圈111.12米,近三分之二都是弯道,运动员比赛时会以接近50公里每小时的速度逆时针滑行。为了方便过弯,短道速滑的冰刀设计得又长又薄。对于专业运动员来说,每个人冰鞋的冰刀位置、弧度、弯度都有自己严格的参数要求。运动员每次滑行后冰刀的各项参数都会有所变化,因此,一般情况下滑冰20个小时左右就需要打磨冰刀,但磨刀过于频繁也会影响冰刀的使用寿命。为此,国家队中有一支非常特殊的保障队伍,那就是专门为冰刀进行人工打磨的“磨刀师”。
因为对短道速滑这项运动的热爱,李泽铭开始关注到这一情况,并专门为此去做了充分的调研,他了解到,目前短道速滑国家队的冰刀打磨主要依托于国外技术与设备,纯人手打磨效率低,精确度较差,而且占用运动员训练时间。人手打磨的方法为将冰刀刀刃竖直朝上,固定在冰刀架上,油石板放置于冰刀表面,依靠人手的压力按压油石往复运动。这种打磨方式存在打磨压力无法保持一致,刀刃表面各处受力不均匀,而且短道速滑冰刀存在弧度与弯度,高精确度的冰刀设计使冰刀磨削工作更加复杂。
高中期间,李泽铭通过翱翔计划的选拔进入清华大学机械工程系学习机器人结构设计,在学习过程中萌生了设计一款可以全自动完成短道速滑冰刀磨削工作的机器,并且能够将机器提供给短道速滑国家队使用,为2022在中国举办的冬奥会出一份力的想法。
设计初期,李泽铭一边琢磨,一边手绘,经过反复论证修改,重新绘制出图纸,并使用电脑进行三维建模。经历了数次结构与电路的改进,以及样机一代到二代的升级,让最初的构思一步一步变为了现实。

图二:李泽铭手绘设计图草稿

图三:李泽铭手绘设计图草稿修改稿

图四:李泽铭在动手制作设备

图五:李泽铭所设计机器的3D建模图

现在,李泽铭研制的短道速滑冰刀自动磨削机已经进入中国国家短道速滑队为运动员们进行冰刀的打磨,并且达到了预期的打磨效果。而李泽铭自己却并没有沉浸在这成果的喜悦中,他早已经开启了下一个创新创造的征程。
后记:少年“科学者”访谈录——李泽铭说
问:虽然近年来冬奥会运动在中国越来越受关注,但是相对于中国传统的优势体育项目,短道速滑其实还是属于小众运动吧~~为什么你会这么喜欢呢?
答:短道速滑运动是中国在冬奥会的首金项目,也是我国每届冬奥会最大最多的夺金点,对于中国的体育运动发展和国家荣誉来说是很重要的。我喜欢这项运动最重要的一点是因为,短道速滑是运动员身体对抗性和竞技性特别强的项目,比赛过程此起彼伏十分刺激,悬念迭起让人看得很过瘾。
问:对于普通人来说,大家关注的都是赛事和运动本身,为什么你会特别注意到“冰刀打磨”这样的点上?是跟你喜欢研发创造有关吗?
答:更多的是因为喜欢吧,特别地喜欢,所以就关注各个方面,然后就发现我们的运动员冰刀都是人工打磨,为此专门去了解一下具体情况,然后就想为他们设计制造一个机器,能够帮他们解决人工打磨面临的精确度不高、费时费力等问题。
问:现在你设计出的这个机器能够改变或者说提升人工打磨的哪些不足呢?答:机器的功能方面,我逐步解决了人手打磨面临的精度差、效率低、费时费力的问题。通过PLC工控电脑的控制,带动油石贴合冰刀刀刃表面进行磨削,精确把控打磨精度,打磨参数也可以根据不同运动员的习惯进行调节。

图六:李泽铭对设备模型进行推演论证

图七:李泽铭所设计的冰刀削磨设备运行数据测试
问:从你有研发创造这个设备的想法到你完成这个机器,经历了多少时间呢?这个过程对你来说会有很大的压力和挑战吗?
答:从最早的构思到冰刀自动磨削机器的完成我大概用了一年的时间,其中包括手绘草图、电脑建模、机器部件的加工和组装。在这个过程中的机器结构设计环节对我有一些挑战。因为要在保证机器高效精准的完成冰刀磨削任务的同时,尽可能轻量化设计,减小机器的体积大小。这样在设计时就会存在一定难度。
问:现在冰刀自动磨削的机器已经成功投入使用了,你还有其他的可以为短道速滑运动或者是其他运动项目研发创造的想法吗?
答:在短道速滑运动员的装备中,我还关注运动员的比赛服装。我想为运动员研发更轻便贴身,具有较高防切割性和柔韧性的连体服。另外,我对越野滑雪项目很感兴趣,我想为越野滑雪运动员设计一套根据比赛场地地形和坡度规划滑雪线路的系统。有助于运动员在日常训练中熟悉滑雪路线,提升竞技水平。
问:冬奥会召开在即,你喜欢的短道速滑比赛也进入倒计时,你有什么祝福的话要说吗?
答:北京冬奥会开幕在即,希望短道速滑冰刀自动磨削机可以为中国国家短道速滑队的队员们提供冰刀打磨与维护上的帮助,助力中国冰雪,一起走向未来。