一臺(tái)“小破車(chē)”，一個(gè)編碼器，一卷膠帶，說(shuō)干就干!還有人開(kāi)發(fā)了四足蜘蛛機(jī)器人

　　一臺(tái)“小破車(chē)”，一把尺子，一個(gè)編碼器，一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一卷膠帶，深夜的橄欖樹(shù)工程院走廊，說(shuō)干就干!你會(huì)不會(huì)羨慕橄欖樹(shù)高中生這樣的日常，羨慕他們?nèi)匀粨碛心枪?ldquo;拆解它、改造它”的工程師式的沖動(dòng)?

　　還記得小時(shí)候拆解鐘表嗎?當(dāng)零件散落桌上，齒輪咬合的奧秘暴露眼前。——那時(shí)的你眼里沒(méi)有“搞砸”，只有純粹的“我非要弄懂它”的那股沖動(dòng)。

　　這就是我們想要保護(hù)的工程思維的原始火種。

　　不久前，杭州橄欖樹(shù)學(xué)校熱愛(ài)人文的孩子們結(jié)束了自己在人文領(lǐng)域的學(xué)術(shù)暢游(點(diǎn)擊查看：心理學(xué)實(shí)驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)學(xué)模型、歷史口述深挖……高中生的66次探索);現(xiàn)在理工科孩子們的年度STEM Fair開(kāi)啟。他們讓我們看到了：對(duì)世界提問(wèn)、親手拆解、構(gòu)建答案，是一件如此酷且值得投入的事情。

　　“小破車(chē)”搞定了，研究智能駕駛還遠(yuǎn)嗎?

　　在之前的FTC機(jī)器人比賽中，19730在自動(dòng)化階段并不出彩。哪怕是讓機(jī)器走直線(xiàn)都很困難，如果不慎撞到東西偏離路線(xiàn)，就更加“回不來(lái)了”。

　　19730的隊(duì)長(zhǎng)Diego從去年開(kāi)始就一直思考：“如何讓高中知識(shí)為機(jī)器人所用呢?”于是，一臺(tái)“小破車(chē)”，一把尺子，一個(gè)編碼器，一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一卷膠帶，深夜的走廊，說(shuō)干就干!

　　已關(guān)注 關(guān)注 重播 分享 贊 關(guān)閉觀看更多更多退出全屏切換到豎屏全屏退出全屏杭州橄欖樹(shù)國(guó)際已關(guān)注分享視頻，時(shí)長(zhǎng)00:420/000:00/00:42 切換到橫屏模式 繼續(xù)播放進(jìn)度條，百分之0播放00:00/00:4200:42全屏 倍速播放中 0.5倍 0.75倍 1.0倍 1.5倍 2.0倍 超清 流暢 您的瀏覽器不支持 video 標(biāo)簽 繼續(xù)觀看 一臺(tái)“小破車(chē)”，一個(gè)編碼器，一卷膠帶，說(shuō)干就干!還有人開(kāi)發(fā)了四足蜘蛛機(jī)器人 觀看更多轉(zhuǎn)載,一臺(tái)“小破車(chē)”，一個(gè)編碼器，一卷膠帶，說(shuō)干就干!還有人開(kāi)發(fā)了四足蜘蛛機(jī)器人杭州橄欖樹(shù)國(guó)際已關(guān)注分享點(diǎn)贊在看已同步到看一看寫(xiě)下你的評(píng)論 視頻詳情

　　第一次實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們記錄了三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)還是存在偏航角度，基本都有-23.688。第二次，他們嘗試了Bang-Bang控制，雖然誤差降了，但明顯能看到數(shù)據(jù)波動(dòng)很大——機(jī)器呈S型走路了

　　第三次，同學(xué)們找到了PID控制系統(tǒng)進(jìn)行角度調(diào)整，通過(guò)比例、積分、微分三重作用減少穩(wěn)態(tài)誤差，并且閉環(huán)設(shè)計(jì)能自適應(yīng)外部干擾，比如環(huán)境擾動(dòng)。

　　從定義問(wèn)題(動(dòng)態(tài)角矯正)→分解變量(P、I、D系數(shù)各自如何影響?)→建模與仿真(先軟件虛擬環(huán)境測(cè)試)→構(gòu)建原型(編寫(xiě)算法，聯(lián)調(diào)硬件)→反復(fù)測(cè)試與優(yōu)化(賽場(chǎng)模擬各種撞擊場(chǎng)景)→實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證(正式比賽)。最后，筆直穩(wěn)健前行的，是機(jī)器人，更是工程思維在實(shí)際挑戰(zhàn)中的淬煉與培養(yǎng)。

　　“原來(lái)興趣并非一時(shí)興起，而是需要面對(duì)問(wèn)題和挫折，會(huì)消磨熱情，會(huì)遇到團(tuán)隊(duì)的人來(lái)人往。但只要打好基礎(chǔ)，將問(wèn)題拆解，優(yōu)化流程、建立建模意識(shí)，然后就動(dòng)手吧!不要回避問(wèn)題，深入分析根本原因，然后繼續(xù)提升思維能力。”

　　而我們期待這是起點(diǎn)，而非終點(diǎn)。而這不正是邁出了研究智能駕駛系統(tǒng)的第一步嗎?

　　誰(shuí)說(shuō)高中生不能設(shè)計(jì)機(jī)器人?

　　Edward和他的組員想要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一臺(tái)四足機(jī)器人，從3D打印、電子元件再到單片機(jī)，都被這群高中生逐一攻破。

　　他們?cè)赟olidWorks中完成核心建模，設(shè)計(jì)出了帶伺服固定支架的長(zhǎng)方體底盤(pán)，并依據(jù)135°伺服旋轉(zhuǎn)極限重構(gòu)支腿的幾何曲率;隨后將模型導(dǎo)出為STL格式，通過(guò)Ultimaker Cura添加支撐結(jié)構(gòu)后，用PLA材料3D打印實(shí)體部件。

　　然而，怎么樣才能穩(wěn)定穿越復(fù)雜地形，成了他們的核心難題。

　　這群高中生把目光聚焦在了動(dòng)物步態(tài)研究上，他們發(fā)現(xiàn)了蜘蛛步態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)90°舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度易導(dǎo)致機(jī)器人腿部碰撞，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，他們將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)范圍鎖定在135°，發(fā)現(xiàn)對(duì)角交替步態(tài)，即左后-右前→右后-左前可以更加穩(wěn)定。

　　終于，機(jī)械蜘蛛踏出仿生學(xué)的第一步。

　　已關(guān)注 關(guān)注 重播 分享 贊 關(guān)閉觀看更多更多退出全屏切換到豎屏全屏退出全屏杭州橄欖樹(shù)國(guó)際已關(guān)注分享視頻，時(shí)長(zhǎng)00:520/000:00/00:52 切換到橫屏模式 繼續(xù)播放進(jìn)度條，百分之0播放00:00/00:5200:52全屏 倍速播放中 0.5倍 0.75倍 1.0倍 1.5倍 2.0倍 超清 流暢 您的瀏覽器不支持 video 標(biāo)簽 繼續(xù)觀看 一臺(tái)“小破車(chē)”，一個(gè)編碼器，一卷膠帶，說(shuō)干就干!還有人開(kāi)發(fā)了四足蜘蛛機(jī)器人 觀看更多轉(zhuǎn)載,一臺(tái)“小破車(chē)”，一個(gè)編碼器，一卷膠帶，說(shuō)干就干!還有人開(kāi)發(fā)了四足蜘蛛機(jī)器人杭州橄欖樹(shù)國(guó)際已關(guān)注分享點(diǎn)贊在看已同步到看一看寫(xiě)下你的評(píng)論 視頻詳情 同學(xué)們?cè)谘芯孔詈蟀l(fā)現(xiàn)，腿的幾何形狀和伺服同步是提高能源效率的關(guān)鍵，但長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)出現(xiàn)伺服過(guò)熱的問(wèn)題。不過(guò)，這不是失敗，而是將瓶頸轉(zhuǎn)化為升級(jí)路標(biāo)。面對(duì)未來(lái)，材料革新、感知智能、群體協(xié)作，都有可能讓他們將工程難題延續(xù)和創(chuàng)新

　　引力模型來(lái)了，創(chuàng)客紀(jì)元還會(huì)遠(yuǎn)嗎?

　　在學(xué)習(xí)了開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律后，Grace和伙伴們并未止步于書(shū)本公式——驅(qū)動(dòng)他們的是“親手驗(yàn)證”的強(qiáng)烈沖動(dòng)和“眼見(jiàn)為實(shí)”的探索精神。 水星那獨(dú)特的橢圓軌道成了他們實(shí)踐工程思維的第一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)。

　　已關(guān)注 關(guān)注 重播 分享 贊 關(guān)閉觀看更多更多退出全屏切換到豎屏全屏退出全屏杭州橄欖樹(shù)國(guó)際已關(guān)注分享視頻，時(shí)長(zhǎng)02:150/000:00/02:15 切換到橫屏模式 繼續(xù)播放進(jìn)度條，百分之0播放00:00/02:1502:15全屏 倍速播放中 0.5倍 0.75倍 1.0倍 1.5倍 2.0倍 超清 流暢 您的瀏覽器不支持 video 標(biāo)簽 繼續(xù)觀看 一臺(tái)“小破車(chē)”，一個(gè)編碼器，一卷膠帶，說(shuō)干就干!還有人開(kāi)發(fā)了四足蜘蛛機(jī)器人 觀看更多轉(zhuǎn)載,一臺(tái)“小破車(chē)”，一個(gè)編碼器，一卷膠帶，說(shuō)干就干!還有人開(kāi)發(fā)了四足蜘蛛機(jī)器人杭州橄欖樹(shù)國(guó)際已關(guān)注分享點(diǎn)贊在看已同步到看一看寫(xiě)下你的評(píng)論 視頻詳情

　　🪐從理論到模型他們精準(zhǔn)定位核心問(wèn)題：抽象的萬(wàn)有引力定律如何在可觀測(cè)模型中實(shí)現(xiàn)?借助 Matlab 進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)值模擬，他們將物理定律轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的變量和邏輯，經(jīng)歷了完整的“建模-求解-驗(yàn)證”迭代循環(huán)。每一次模擬運(yùn)算都是對(duì)開(kāi)普勒定律核心原理(如近日點(diǎn)加速、軌道對(duì)稱(chēng)性)的深度剖析與工程化再現(xiàn)。

　　🪐從虛擬到實(shí)體的“主動(dòng)建造”模擬數(shù)據(jù)的可視化并不能滿(mǎn)足他們對(duì)物理世界的觸感需求。 他們自然而然地想到：“不如我們自己做一個(gè)看得見(jiàn)、摸得著的軌道模型!” —— 這正是根植于創(chuàng)客思維的本能反應(yīng)：想法涌現(xiàn)，立刻動(dòng)手實(shí)現(xiàn)。我們一直培養(yǎng)的創(chuàng)客精神也在此顯現(xiàn)成果，他們充分利用3D打印技術(shù)的自由定制、快速迭代驗(yàn)證、直觀呈現(xiàn)等特色，模擬了橢圓軌道。

　　通過(guò)這套“數(shù)學(xué)建模-數(shù)值模擬-物理實(shí)體驗(yàn)證” 的自創(chuàng)流程，Grace和伙伴們不僅確鑿無(wú)疑地“直觀證實(shí)”了開(kāi)普勒定律對(duì)真實(shí)天體運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確描述，更實(shí)踐性地掌握了一套“將抽象原理轉(zhuǎn)化為可驗(yàn)證系統(tǒng)”的工程方法。

　　他們親自“體驗(yàn)”了引力對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的塑造力量，將書(shū)本知識(shí)內(nèi)化為對(duì)軌道力學(xué)的結(jié)構(gòu)性理解，并深刻意識(shí)到物理定律與工程實(shí)現(xiàn)之間的緊密聯(lián)系。

　　立頓紅茶vsEDTA滴定

　　Brady同學(xué)認(rèn)為水是生命之源，但其質(zhì)量越來(lái)越受到各種來(lái)源污染的威脅，尤其是金屬離子，他希望通過(guò)自己所學(xué)的溶解度知識(shí)來(lái)幫助檢測(cè)和消除水污染。他準(zhǔn)備了硝酸鉛溶液用于模擬污染水體、碘鉀溶液、稀硝酸、標(biāo)準(zhǔn)鉛溶液，以及立頓紅茶。

　　是的，你沒(méi)有看錯(cuò)，紅茶是他選擇的低成本初篩方案——通過(guò)紅茶多酚與Pb²⁺結(jié)合產(chǎn)生棕褐色沉淀，接著他再使用EDTA滴定法精測(cè)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，紅茶顯色法證明有重金屬(如鉛)，但EDTA滴定法測(cè)的總硬度136mg/L顯示是軟水(低鈣鎂)——這兩個(gè)結(jié)果看似矛盾，其實(shí)檢測(cè)目標(biāo)不同。EDTA只能測(cè)鈣鎂離子，對(duì)有毒重金屬不敏感。

　　此外，軟水的腐蝕性風(fēng)險(xiǎn)被很多人忽視。大眾普通認(rèn)知是“硬度達(dá)標(biāo)就安全”，但實(shí)際軟水會(huì)溶解管道中的鉛鎘等有毒金屬，造成二次污染。這解釋了為什么生物檢測(cè)(紅茶變色)和吸附數(shù)據(jù)能發(fā)現(xiàn)隱患。Brandy還提出建議通過(guò)如ICP-MS技術(shù)，因?yàn)樗�能檢測(cè)ppt級(jí)(萬(wàn)億分之一)的重金屬，比如鉛、鎘、鋁等離子。

　　精準(zhǔn)的滴定操作技術(shù)、將生活材料(立頓紅茶)創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為檢測(cè)工具的能力、對(duì)矛盾數(shù)據(jù)的深度解析等科研素養(yǎng)之外，他還有了新的認(rèn)知——隨時(shí)保持洞察與質(zhì)疑，用科研規(guī)范來(lái)衡量。

　　低成本做出高精度實(shí)驗(yàn)

　　Kathryn和Henry探究的則是過(guò)飽和度對(duì)晶體習(xí)性的影響，他們猜測(cè)晶體尺寸將隨著過(guò)飽和度的增加而減小。他們通過(guò)熱溶解法制備過(guò)飽和溶液，將硫酸鋁鉀(KAl(SO₄)₂)與硫酸鉻鉀(KCr(SO₄)₂)在70℃加熱攪拌至完全溶解于蒸餾水，配制出六組梯度濃度溶液(過(guò)飽和度Sa=1.0~2.0)。

　　隨后在恒溫環(huán)境中進(jìn)行晶種培育，在12個(gè)錐形瓶中預(yù)生成標(biāo)準(zhǔn)八面體紫色晶種，經(jīng)精確稱(chēng)量后置于pH=7.5的培養(yǎng)皿中固化。接著他們用懸掛生長(zhǎng)法，即用尼龍線(xiàn)固定晶種，半浸于編號(hào)溶液中，以橫跨燒杯的木棍懸吊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固液界面定向沉積;整個(gè)生長(zhǎng)周期持續(xù)14天，期間嚴(yán)格規(guī)避機(jī)械振動(dòng)與溫度波動(dòng)。

　　通過(guò)14天的分析，他們揭示了晶體生長(zhǎng)相變規(guī)律：低Sa區(qū)(Sa<1.3)：G/B>1 → 大尺寸晶體(最大3.2mm)高Sa區(qū)(Sa>1.7)：B/G>1 → 微晶簇主導(dǎo)(平均0.5mm)Sa=1.5：生長(zhǎng)模式切換閾值(離子擴(kuò)散速率 < 表面吸附速率)

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，木棍不夠，用筆來(lái)湊。在如此樸素的條件下，他們完成了連續(xù)14天記錄觀測(cè)的高精度實(shí)驗(yàn)，最終不僅驗(yàn)證了尺寸與過(guò)飽和度的負(fù)相關(guān)猜想，更捕捉到教科書(shū)未載的臨界相變閾值。

　　45°是投籃最優(yōu)角?他們用ipad重構(gòu)力學(xué)

　　Joey和他的同學(xué)們想要尋找既能提高得分率，又能節(jié)省球員精力的投籃角度。他們使用運(yùn)動(dòng)學(xué)、微分方程式、泰勒展開(kāi)以及近似方法等物理工具進(jìn)行研究。他們提出了假設(shè)：在標(biāo)準(zhǔn)NBA球場(chǎng)(籃筐高度3.05m)，45°為最優(yōu)投射角度。ps：該假設(shè)基于經(jīng)典拋體運(yùn)動(dòng)理論(無(wú)空氣阻力模型)。

　　一把卷尺、一個(gè)ipad，他們卻實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)級(jí)運(yùn)動(dòng)捕捉：將垂直卷尺固定在剛性支架上(消除振動(dòng)誤差)稱(chēng)量籃球的質(zhì)量 m=0.625kg(符合ISO標(biāo)準(zhǔn))從預(yù)設(shè)高度h0釋放籃球，重復(fù)10次使用iPad 240fps高速攝像通過(guò)Tracker軟件提取時(shí)間-位移序列 (t,h(t))

　　想不到吧，iPad自帶攝像頭就可以實(shí)現(xiàn)如此專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)收集，接著他們?cè)偻ㄟ^(guò)這些收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論建模。

　　他們發(fā)現(xiàn)：投射距離增大時(shí)，最優(yōu)角度顯著降低。5m距離時(shí)，投籃最優(yōu)角是40.7°;7.24m距離時(shí)，最優(yōu)角則是34.7°。這個(gè)實(shí)驗(yàn)最驚艷的就是推翻了45°最優(yōu)角的常識(shí)，還得出了37°節(jié)能理論對(duì)訓(xùn)練有價(jià)值。

　　就像《生活大爆炸》里謝爾頓坐小孩火車(chē)研究物理一樣，不完美的工具+完美的思維總會(huì)帶來(lái)驚喜。

　　在這次STEM Fair中，高一、高二的年輕研究者們有33組成果，他們都各自點(diǎn)亮了自己獨(dú)特的科研領(lǐng)域。從AI算法到音樂(lè)領(lǐng)域的影響，思考用磁懸浮技術(shù)改寫(xiě)城市交通，如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的功能性運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，宇航員如何在空間站獲得氧氣，溶解度原理如何幫助我們檢測(cè)和消除供水中的化學(xué)污染物……

　　▲有同學(xué)利用AI開(kāi)發(fā)的游戲

　　在信息爆炸卻挑戰(zhàn)迭起的當(dāng)下，重新點(diǎn)燃這束火光，意味著你將突破“紙上談兵”，直達(dá)“親手重塑”的境界——無(wú)論對(duì)象是一個(gè)故障產(chǎn)品，還是一段需要優(yōu)化的生活。

　　是的，在橄欖樹(shù)，這種思維模式從未熄滅，而是將成為“改變未來(lái)”的生生之林。

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