鳶尾

喬喬木自從看了中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)舉辦的全國(guó)青年科普創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)暨作品大賽（詳見(jiàn)《學(xué)與玩》2020年第4期）以后，對(duì)人工智能一直念念不忘，總想做出屬于自己的機(jī)器人。編輯姐姐知道后，對(duì)他說(shuō)：“別著急，中國(guó)兒童中心的謝鵬老師正在網(wǎng)上教授關(guān)于STEM機(jī)器人小制作的課程，你可以去看看?！?/p>

喬喬木得知這個(gè)消息后很興奮，迫不及待地就去聽課了。第一節(jié)課是關(guān)于武漢長(zhǎng)江大橋的桁（héng）架結(jié)構(gòu)。喬喬木有些不理解，雖然桁架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于很多著名的建筑，可是這和人工智能有什么關(guān)系呢？可樂(lè)王說(shuō)：“武漢長(zhǎng)江大橋是中華人民共和國(guó)成立以后修建的第一座公鐵兩用的長(zhǎng)江大橋，也是武漢的標(biāo)志性建筑之一，在當(dāng)時(shí)可以說(shuō)是舉全國(guó)之力建造的。同時(shí)，在大橋的修建過(guò)程中，蘇聯(lián)還派出了專家組來(lái)中國(guó)幫忙。就像我們這次抗擊疫情，舉全國(guó)之力，也有國(guó)際的互幫互助。這樣的制作放在開頭不是很應(yīng)景嗎？而且，以后很多制作都會(huì)用到桁架結(jié)構(gòu)?？梢哉f(shuō)，桁架結(jié)構(gòu)是制作機(jī)器人的基礎(chǔ)?！?/p>

喬喬木點(diǎn)點(diǎn)頭，但也有些意猶未盡，他還是更期待關(guān)于機(jī)器人的制作?？蓸?lè)王在一邊安慰他：“別急呀，我們一步一步來(lái)，以后還會(huì)有很多有意思的小制作呢。”

給你一場(chǎng)燈光秀

喬喬木：可樂(lè)王，你快看！為感謝全國(guó)各地的援助，武漢亮起了25公里的燈光，展現(xiàn)了一場(chǎng)絢麗的燈光秀，太壯觀了！

可樂(lè)王：好漂亮?。∑鋵?shí)這種電子滾屏的效果，我們也可以做出來(lái)。

喬喬木：真的嗎？你不會(huì)騙我吧？

可樂(lè)王：當(dāng)然了，其實(shí)，這就是電子顯示屏幕的一種，又稱綜合信息電子公告牌，可以顯示文字、圖像和動(dòng)畫，并且高分辨率的顯示屏幕還可以顯示電視等動(dòng)態(tài)畫面，我們平時(shí)在機(jī)場(chǎng)、車站看到的提示字幕也屬于這種設(shè)備。為了讓更多信息在屏幕上顯示出來(lái)，我們可以通過(guò)編寫特定程序來(lái)實(shí)現(xiàn)屏幕文字的滾動(dòng)效果。

喬喬木：要編寫程序啊......那就是人工智能的范疇了！對(duì)了，我們可以去問(wèn)問(wèn)謝老師。

謝老師：可樂(lè)王說(shuō)得沒(méi)錯(cuò)，電子滾屏就是這么工作的。要制作這個(gè)設(shè)備，我們需要一個(gè)程序——Arduino。它可以連接LED燈、馬達(dá)和傳感器，是一個(gè)在人工智能機(jī)器人教育教學(xué)中經(jīng)常會(huì)使用到的開源型電子平臺(tái)，包括硬件和軟件。你們先來(lái)看看這個(gè)模型，顯示屏上顯示的是“WU HAN CHIN UP！CHINA CHIN UP！”（武漢加油！中國(guó)加油?。?/p>

可樂(lè)王：這個(gè)程序我知道，入門很容易，很多人都喜歡用它來(lái)編程。

謝老師：確實(shí)是這樣的?，F(xiàn)在，我們?cè)诘谝粋€(gè)模塊中輸入字符串的名字，第一行是“wuhanlist”，第二行是“chinalist”。然后，在第二個(gè)模塊中輸入字符串的具體內(nèi)容，第一行是“WU HAN CHIN UP”，第二行是“CHINACHINUP”。最后，我們?cè)谙旅嫦鄳?yīng)的位置設(shè)定顯示時(shí)間。

喬喬木：這么簡(jiǎn)單嗎？武漢的燈光秀也是這樣做出來(lái)的嗎？

謝老師：我們這個(gè)只是其中最簡(jiǎn)單的程序，武漢的燈光秀肯定比這個(gè)要復(fù)雜得多。

喬喬木：這個(gè)簡(jiǎn)單的程序就可以讓我在家里做燈光秀了！太好了，以后過(guò)節(jié)我可以把家里好好布置一下，做一場(chǎng)屬于自己的燈光秀！

神奇的晾衣架

喬喬木：最近天氣變化太快了，早上還晴空萬(wàn)里呢，中午就下雨了。還好我在家，可以幫忙收衣服，否則那些衣服就白洗了。

可樂(lè)王：是啊，夏天的天氣就是這樣。要是有能根據(jù)天氣情況收衣服、晾衣服的工具就好了。對(duì)了，上次我們參觀全國(guó)青年科普創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)暨作品大賽的時(shí)候，在“智能控制”單元，不就感受到了人工智能給生活帶來(lái)的便利嗎？我們?nèi)?wèn)問(wèn)謝老師，說(shuō)不定他會(huì)有辦法。

謝老師：我最近也在想這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)這個(gè)問(wèn)題并不難解決。今天，我們就一起來(lái)制作這樣的智能晾衣架。

你們看，我先搭建了陽(yáng)臺(tái)和窗戶的模型。我們?cè)诖皯羯习惭b一個(gè)馬達(dá)，由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)皮帶輪，并帶動(dòng)柱狀齒輪和齒條，然后通過(guò)這個(gè)綠色的撞角把窗戶推開。

喬喬木：太神奇了！窗戶打開，晾衣架就伸展開了?？墒?，這也只是不用自己親自動(dòng)手，怎么才能讓它根據(jù)天氣的情況自動(dòng)收衣服或者晾衣服呢？

謝老師：你不要著急。這就要用到NXT程序了。我們?cè)贜XT的控制器上安裝一個(gè)光電傳感器，檢測(cè)環(huán)境的明暗變化。在這里，我們可以設(shè)置一個(gè)閾值，一旦亮度超過(guò)或低于這個(gè)數(shù)值，馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就會(huì)發(fā)生變化，這樣，窗戶就可以根據(jù)環(huán)境的明暗而開關(guān)了。

可樂(lè)王：這個(gè)只能控制窗戶的開關(guān)，怎么才能實(shí)現(xiàn)晾衣架的伸展和收縮呢？

謝老師：我們來(lái)看這個(gè)馬達(dá)，它里面有碼盤，這個(gè)碼盤相當(dāng)于一個(gè)傳感器，可以根據(jù)環(huán)境帶動(dòng)馬達(dá)的變化，使其前進(jìn)或后退，這樣晾衣架就可以伸展或收縮了。

可樂(lè)王：那個(gè)風(fēng)車是用來(lái)檢測(cè)風(fēng)速的嗎？

謝老師：是啊，這個(gè)風(fēng)車連接傳動(dòng)軸，風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)使傳動(dòng)軸帶動(dòng)錐狀齒輪，齒輪帶動(dòng)馬達(dá)，然后就是馬達(dá)中的碼盤大顯神通的時(shí)候了。

喬喬木：也就是說(shuō)，這個(gè)晾衣架在大風(fēng)天也可以把衣服收回來(lái)，這也太方便了！可惜這只是個(gè)模型，否則我就可以做這樣一個(gè)智能晾衣架送給媽媽做生日禮物了。

謝老師：原理都是一樣的，只要你好好學(xué)習(xí)，總有一天可以實(shí)現(xiàn)的。

紙飛機(jī)發(fā)射的秘密

喬喬木：可樂(lè)王，你快來(lái)，謝老師要做紙飛機(jī)發(fā)射器了。咦？紙飛機(jī)還要發(fā)射器？

可樂(lè)王：當(dāng)然了！世界上關(guān)于紙飛機(jī)的比賽有很多種，比如紙飛機(jī)在空中的滯留時(shí)間、飛行距離、速度......吉尼斯世界紀(jì)錄收錄了很多關(guān)于紙飛機(jī)的紀(jì)錄。我想，為了讓大家把精力放在紙飛機(jī)本身的制作上，所以要制作紙飛機(jī)發(fā)射器，這樣才能夠保證比賽的公平。

謝老師：不錯(cuò)?，F(xiàn)在我們就來(lái)制作紙飛機(jī)發(fā)射器。制作之前，我們需要解決這樣幾個(gè)問(wèn)題：發(fā)射器需要的動(dòng)力;投擲紙飛機(jī)之前，如何夾住它;發(fā)射器如何用手握住。

動(dòng)力的問(wèn)題，我們需要電池組、馬達(dá)和齒輪組幫我們解決。電池組和馬達(dá)可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)齒輪組，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。然后，我們?cè)儆脠A梁結(jié)構(gòu)搭建一個(gè)支架，把紙飛機(jī)的機(jī)身嵌入其中即可。這個(gè)支架就要用到我們之前學(xué)過(guò)的桁架結(jié)構(gòu)了，也就是勾股定理的知識(shí)。喬喬木：這樣說(shuō)，好像也不是很復(fù)雜。

可是，這不是機(jī)器人小制作嗎？這個(gè)裝置和機(jī)器人有什么關(guān)系呢？

謝老師：這個(gè)模型在使用過(guò)程中，電池組的開關(guān)不是很穩(wěn)定，我們需要使用觸動(dòng)傳感器，這就要用到人工智能的知識(shí)了。我們這次用的程序軟件是EV3：這里有一個(gè)任務(wù)判斷，當(dāng)我們摁下觸動(dòng)傳感器時(shí)，馬達(dá)就會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，我們就可以得到一個(gè)很快的初速度。放開觸動(dòng)傳感器，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以避

免電能的浪費(fèi)。

可樂(lè)王：這個(gè)程序真棒，既簡(jiǎn)單又環(huán)保。

謝老師：你們?cè)谥谱鞯倪^(guò)程中要注意，獲得一個(gè)高速的初速度，需要靠大齒輪和小齒輪的轉(zhuǎn)速比來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，要注意齒輪的選擇。還有一點(diǎn)，齒輪的轉(zhuǎn)速比較快，握著這個(gè)裝置的時(shí)候，一定要遠(yuǎn)離齒輪，避免被劃傷。喬喬木：我明白了。我一定要制作出一個(gè)初速度很高的發(fā)射器，這樣，說(shuō)不定我的紙飛機(jī)也可以創(chuàng)造紀(jì)錄呢！

侏羅紀(jì)公園

喬喬木：可樂(lè)王，謝老師剛剛直播講的機(jī)器恐龍?zhí)幸馑剂耍绻覀兡軐W(xué)習(xí)關(guān)于機(jī)器恐龍的制作就太好了！我一定要學(xué)會(huì)做霸王龍，想想就很霸氣?。】蓸?lè)王：你別總想著霸氣了，霸王龍的制作可不容易。它是暴龍的一種，而暴龍是一個(gè)廣泛的稱謂。這個(gè)家族的恐龍雖然大小各異，但有一個(gè)共同的特點(diǎn)：頭部巨大、前肢短小。

因此，制作霸王龍，一定要保證它身體的平衡。喬喬木：聽你這么一說(shuō)，感覺(jué)好難啊。不知道有沒(méi)有簡(jiǎn)單一點(diǎn)的恐龍制作。可樂(lè)王：謝老師說(shuō)今天要制作翼龍，說(shuō)不定會(huì)簡(jiǎn)單一些?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的翼龍有100多個(gè)品種，大的如風(fēng)神翼龍，翼展超過(guò)12米，小的如森林翼龍，和鳥類差不多大。其實(shí)，從嚴(yán)格意義上來(lái)講，翼龍并不是真正的恐龍，而是能飛行的爬行動(dòng)物演化支。在希臘文里，翼龍的意思就是“有翼蜥蜴”。

喬喬木：翼龍也有這么多種類??！我知道了，之所以叫翼龍，是因?yàn)樗鼈兌加谐岚颉?/p>

謝老師：說(shuō)得對(duì)。因此，我們制作翼龍有一個(gè)重點(diǎn)，那就是翅膀的安裝。你們一定在公園里看過(guò)機(jī)器恐龍模型，這樣的模型需要實(shí)現(xiàn)哪些功能呢？

喬喬木：恐龍身上的部位要能活動(dòng)，比如頭、翅膀這些都要可以動(dòng)，而且還要可以行走。

謝老師：沒(méi)錯(cuò)，這就是對(duì)我們要做的機(jī)器翼龍?zhí)岢龅囊?。那么該怎么滿足這些要求呢？其實(shí)頭部要?jiǎng)雍芎?jiǎn)單，只要選擇積木中的球形塊和球形杯托，就可以做出能轉(zhuǎn)動(dòng)的頭部了。

翅膀該怎么做呢？這次我們要用到帶釘梁和圓梁，它們可以搭建傳動(dòng)軸和曲柄連桿，這個(gè)裝置可以實(shí)現(xiàn)翼龍翅膀的上下運(yùn)動(dòng)。接著就是用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸的方法了，這個(gè)原理和紙飛機(jī)發(fā)射器的原理有些類似。

可樂(lè)王：我知道了，就是用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪組把動(dòng)力傳輸?shù)揭睚埖某岚蛏稀?/p>

謝老師：是的，我們通過(guò)馬達(dá)將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力通過(guò)20齒齒輪傳遞到12齒齒輪上，在中間軸兩端都固定好12齒齒輪，再通過(guò)角齒輪驅(qū)動(dòng)翼龍的翅膀。然后是翼龍的前進(jìn)問(wèn)題，這就要用到皮筋和輪子了。找一根皮筋，一端套在曲柄的軸上，另一端套在機(jī)器翼龍的輪子上。安裝的時(shí)候，皮筋要旋轉(zhuǎn)90°，否則就裝不上了。而且，左右兩端的皮筋拴在輪子上的方向要對(duì)稱，這樣才能保證翼龍直線前進(jìn)。在這里，我們也可以編寫一個(gè)程序，這次用到的程序軟件是WeDo2.0。我們來(lái)看一下這個(gè)程序界面，黃色的是啟動(dòng)模塊，下方的模塊中，有的代表馬達(dá)的功率，我們可以在模塊下面輸入數(shù)字，確定馬達(dá)的功率;有的是馬達(dá)的運(yùn)行模塊，在下面可以輸入時(shí)間;還有馬達(dá)的停止模塊，可以終止馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)......

可樂(lè)王：老師，這個(gè)軟件要怎么控制方向呢？

謝老師：這個(gè)問(wèn)題問(wèn)得好。WeDo軟件有代表方向的按鈕，我們點(diǎn)擊這個(gè)按鈕，就可以確定運(yùn)動(dòng)的方向了。你們?cè)诰幊痰臅r(shí)候，一定要注意這個(gè)問(wèn)題。

下面我們要用程序讓翼龍見(jiàn)到食物時(shí)停下來(lái)，并發(fā)出歡快的叫聲。這個(gè)其實(shí)也不難，我們把剛才的程序稍微改一下就可以了。首先，我們把時(shí)間下面的數(shù)字改為動(dòng)作傳感器的標(biāo)志，然后再添加代表音樂(lè)的按鈕，選擇一個(gè)歡快的聲音就可以了。是不是很簡(jiǎn)單？

喬喬木：哇，這個(gè)軟件太好用了，我要馬上試試。對(duì)了，程序界面上有很多工具，說(shuō)不定還能開發(fā)出其他的功能呢！

人工智能在給我們帶來(lái)方便的同時(shí)，也給我們的生活增添了很多美麗的色彩。小讀者們看了這些，是不是也愛(ài)上了人工智能呢？中國(guó)兒童中心去年成立了兒童人工智能教育研究院，我們以后會(huì)陸續(xù)向大家介紹相關(guān)活動(dòng)，拉近人工智能與生活的距離，讓人工智能更好地為我們的生活服務(wù)。