鋁箔層
下壓裝置
垃圾桶蓋内部電路(lù)
設計(jì)者餘飛揚
朝華傳媒認爲，每一項科(kē)技成果的出現都(dōu)将推動行業的發展，也是社會進步的體現。機(jī)器人(rén)的發展越來(lái)越受到人(rén)們關注，如(rú)今機(jī)器人(rén)可(kě)實現垃圾分(fēn)類，标志着機(jī)器人(rén)時代正在走進我們的生(shēng)活，垃圾分(fēn)類機(jī)器人(rén)也是未來(lái)機(jī)器人(rén)發展品牌推廣的重要标志。
在日(rì)前舉辦的第15屆“明天小小科(kē)學家”活動的展示現場，一個配合多傳感器實現的“垃圾智能分(fēn)類機(jī)器人(rén)”以其環保、節約的理(lǐ)念和方便、簡潔的特性而頗受關注。這個垃圾智能分(fēn)類系統的創造者餘飛揚，是一位來(lái)自(zì)人(rén)大(dà)附中的高三文科(kē)女(nǚ)生(shēng)。
五大(dà)檢測點實現分(fēn)類細化
餘飛揚制作(zuò)“垃圾分(fēn)類機(jī)器人(rén)”的緣由是在一次學校(xiào)組織的研究性學習活動中，通過調查發現，市民(mín)垃圾分(fēn)類的意識還(hái)比較薄弱，外加分(fēn)類垃圾的基礎設施也并不是很完善，“就(jiù)連平時很注重環保的家人(rén)也有時會不小心投放(fàng)錯誤。”此外，可(kě)回收垃圾的種類很多，“不同種類的處理(lǐ)方法都(dōu)是不一樣的，”統統放(fàng)置在一個垃圾桶内集中處理(lǐ)不僅會爲後期分(fēn)類帶來(lái)麻煩，還(hái)有可(kě)能造成資源的浪費。
針對目前的能源危機(jī)，如(rú)何能減少垃圾分(fēn)類過程中的人(rén)爲差錯，從(cóng)而對垃圾進行準确、高效的分(fēn)類？一個獨立于垃圾投放(fàng)者的自(zì)動化、智能化的垃圾分(fēn)類機(jī)器人(rén)的念頭在餘飛揚的頭腦中萌生(shēng)。
回頭看(kàn)看(kàn)這個機(jī)器人(rén)設計(jì)的過程，餘飛揚得(de)到的最大(dà)一個收獲就(jiù)是認識到在複雜的世界背後蘊藏着的規則往往極爲簡單。借鑒發達國(guó)家對垃圾特性分(fēn)類的規範，在一次一次的調研中，她試圖總結一個針對中國(guó)國(guó)情的垃圾物理(lǐ)特性表格，最終确定了5個檢測點：透明度、擠壓聲頻率、硬度、導電性、質量。
其中最基礎的是透明度和擠壓聲頻率的識别。通過透明度的辨别，可(kě)以區分(fēn)透明材質和不透明材質，“比如(rú)金屬和塑料就(jiù)可(kě)以通過透明度來(lái)辨識。”此外，在這個“智能垃圾桶”裡(lǐ)還(hái)安裝有下壓裝置，會對投擲進入垃圾桶的物質進行擠壓，每種材質經擠壓發出的聲頻都(dōu)是不一樣的，通過不同擠壓聲頻率的識别，可(kě)以區分(fēn)出不同的材質。
在這兩種檢測條件(jiàn)的基礎上，系統還(hái)結合硬度、質量、導電性的檢測，5個傳感器同時運行，就(jiù)可(kě)以得(de)出十分(fēn)準确的垃圾種類分(fēn)析結果。“目前已經可(kě)以辨别的垃圾種類範圍包括塑料瓶、塑料袋、紙盒、舊書(shū)、金屬易拉罐等。”
文科(kē)女(nǚ)生(shēng)解決傳感器難題
研發的困難超過了以往的預期。遇到的第一個困難就(jiù)是高二文理(lǐ)分(fēn)科(kē)後，選擇了文科(kē)的她還(hái)要不要堅持下去(qù)？人(rén)大(dà)附中的指導老師(shī)在關鍵時刻給予了她鼓勵，認爲她的思維比較嚴密，知識比較全面，視野比較開闊，“最重要的是，人(rén)大(dà)附中一直注重科(kē)學和人(rén)文素養的平衡。”從(cóng)此，每個周五，在學校(xiào)的實驗室裡(lǐ)多了這個文科(kē)女(nǚ)生(shēng)的身(shēn)影(yǐng)。
垃圾物理(lǐ)特性确定以後，傳感器的選取成爲了研發的瓶頸。爲測定各項指标，她通過學校(xiào)和北京大(dà)學機(jī)器人(rén)研究方面的專家取得(de)了聯系。“有太多的人(rén)要感謝。”接受采訪時，這個認真的女(nǚ)孩說(shuō)出了一長串要感謝的人(rén)的名單，名單的第一個就(jiù)是采訪中餘飛揚經常念叨的北京大(dà)學羅定生(shēng)老師(shī)。在向羅老師(shī)說(shuō)明了自(zì)己在傳感器選取方面的困惑後，羅老師(shī)指導她閱讀(dú)了國(guó)内外最新的相(xiàng)關文獻。“突然之間，我就(jiù)有了一大(dà)堆選擇，然後我想，好用是一個方面，關鍵還(hái)要能用。”在又一次經過了針對性調研後，她最終選定了紅(hóng)外對射光(guāng)電傳感器、音量傳感器、電位器、薄膜壓力傳感器、電子秤等。“它們都(dōu)足夠便宜，最終産品更可(kě)能走進千家萬戶！”
傳感器的問(wèn)題解決了，分(fēn)類數據的分(fēn)析算法又來(lái)了。“最開始我打算采用SVM算法，芯片預算速度要求較低、多種内核可(kě)以使用、樣本提取量較小。但(dàn)實際操作(zuò)中，我發現SVM算法主要在文件(jiàn)系統中運行，其對數據和模型的提取結果也會輸入相(xiàng)應的文件(jiàn)中。問(wèn)題是，我制作(zuò)的連接傳感器的平台并不支持文件(jiàn)系統。”運算實現不了，系統就(jiù)沒法運行。看(kàn)着一堆孤立的傳感器放(fàng)在那兒，餘飛揚感到有些焦急。直到一個周五下午，在向經常與她一起泡實驗室的一名編程“大(dà)神”訴說(shuō)她的苦惱後，兩個少年(nián)經過一個通宵達旦的工(gōng)作(zuò)，終于在原有算法的基礎上鼓搗出一個可(kě)以在平台上運用的運算函數，同時對平台進行改良，“兩者結合系統就(jiù)可(kě)以正常運行了。在那以後，我才真正理(lǐ)解了‘沒有人(rén)能獨自(zì)成功’。或者說(shuō)，‘一滴水隻有放(fàng)在大(dà)海裡(lǐ)才永不幹涸’的道理(lǐ)。”
将爲機(jī)器人(rén)安裝機(jī)械臂
最難的部分(fēn)解決了，磨合中的垃圾智能分(fēn)類系統還(hái)是問(wèn)題不斷。“雖然在制作(zuò)之前，我曾經認真繪制過圖紙，大(dà)小部件(jiàn)的位置都(dōu)經過精心安排，也曾模拟運行成功，但(dàn)是實際操作(zuò)過程中還(hái)是經曆了比較繁瑣的調整期。”部件(jiàn)安放(fàng)位置不精确，緻使下壓結構卡住；運算數據太大(dà)，造成電路(lù)闆燒毀；電路(lù)接、插出現問(wèn)題，造成電路(lù)糾結在一起……這些小毛病在“智能垃圾桶”剛剛成型的時候時常出現，帶來(lái)困擾。
這個調整期長達2個月，利用學校(xiào)每周五下午的兩節研學課，外加其後的兩節FTC機(jī)器人(rén)選修課的時間，餘飛揚對自(zì)己的“智能分(fēn)類垃圾桶”不斷進行實驗、磨合、規範，終于解決了所有磨合期的問(wèn)題，使“智能垃圾桶”得(de)以順暢地運作(zuò)。至高二下學期，曆時一年(nián)多，垃圾智能分(fēn)類系統終于基本完成了。
對于自(zì)己的項目，餘飛揚還(hái)是有許多展望的。首先，目前垃圾智能分(fēn)類系統主要是在可(kě)回收垃圾的範圍内進行細化分(fēn)類識别，對于可(kě)回收與不可(kě)回收垃圾的區分(fēn)還(hái)不能很好把握。“其實，最初我的設想就(jiù)是對可(kě)回收與不可(kě)回收垃圾進行劃分(fēn)，但(dàn)由于果核、廚餘等不可(kě)回收垃圾的形态多數不規則，給辨别造成了很大(dà)的困難。”但(dàn)餘飛揚并沒有放(fàng)棄這部分(fēn)研究，她将爲自(zì)己的系統增設檢測點，擴大(dà)垃圾分(fēn)類的種類。“其中的難點就(jiù)在于對不可(kě)回收垃圾的物理(lǐ)特性的分(fēn)析和分(fēn)類。”餘飛揚表示，後期将在這方面繼續努力。
此外，目前的垃圾智能分(fēn)類系統還(hái)不是“垃圾智能分(fēn)類機(jī)器人(rén)”的最終形态，餘飛揚的預想是在分(fēn)類容器的外部設置不同的盛放(fàng)容器，通過機(jī)械臂的投擲，可(kě)将分(fēn)類容器辨别出的不同種類的垃圾投放(fàng)到相(xiàng)應的容器内，實現垃圾分(fēn)類的全過程。“我已使用繪圖軟件(jiàn)将整個機(jī)器人(rén)的外形設計(jì)好了。”
總而言之，未來(lái)機(jī)器人(rén)時代是一個發展趨勢。它不僅爲我們節省了人(rén)力資源，而且改善了我們生(shēng)活。垃圾智能分(fēn)類機(jī)器人(rén)必定是機(jī)器人(rén)時代新的品牌推廣産品，同時爲機(jī)器人(rén)行業的發展起到推動作(zuò)用。
