郑大故事：填补国内流体压缩动力领域空白的“推进器”

——记第十二届全国“iCAN创业之星”获得者王凯甬

3月7日，在北京国家会议中心举行的2019全球创新教育大会暨第十二届iCAN原创中国精英赛上，郑州大学机械工程学院王凯甬、裴雷，生命科学学院倪新程，商学院赵诗倩，外语学院贾彤彤等几名本科生的作品《基于条件反射原理的动物“机器人”行为控制技术》获得特等奖。今年6月，该获奖团队将代表中国参加在德国柏林举行的第十二届iCAN国际创新创业大赛国际总决赛，向全世界展现中国大学生的科技创新实力。

此次获得特等奖的团队核心成员王凯甬，是郑州大学机械工程学院2016级的本科生。他曾获得2017年第十一届iCAN国际创新创业大赛中国区总决赛一等奖、2018年中国机器人大赛水下机器人巡游项目冠军、2018年iCAN原创中国精英挑战赛精英奖、2019第七届全国海洋航行器设计与制作大赛特等奖等28项省部级以上科研竞赛奖项，拥有发明专利授权1项、实用新型授权4项、在申专利6项，被评为第十二届全国“十佳创新之星——iCAN创业之星”、2018年度郑州大学“大学生标兵”，并作为“小平科技创新团队”的学生代表参加了2018年8月在人民大会堂举行的第十一届中国青少年科技创新奖颁奖大会。目前，他在郑州大学大学科技园注册成立郑州无桨推进技术开发有限公司（筹），获得了河南省教育厅“新时代新梦想”创业帮扶基金支持。

无浆推进技术填补国内空白

在浏览器里搜索“无桨推进器”，数十条“郑州大学无桨推进技术填补国内空白”的词条出现在屏幕上。无桨推进技术是王凯甬创造的一项革新技术。他运用此项技术打造的“无桨推进水下机器人”，获得了第十一届iCAN国际创新创业大赛中国区总决赛一等奖。“比赛评委对我们拿到一等奖很意外，没想到很多学校在水下机器人领域几年的技术积累，被我们的无桨推进器技术一年革新。”王凯甬指着桌子上的第一代无桨推进水下机器人介绍道。他创造的这项技术在船舶运行动力方面打开了一扇新的大门，填补了国内流体压缩动力领域的空白。

大一入学刚一个多月，考虑到传统有桨推进器的桨叶在水下作业时容易被水草和杂物缠绕，王凯甬萌生了用无桨代替有桨的想法。在得到机械工程学院党委副书记张宏选和学长董斌鑫的肯定与支持后，王凯甬开始着手无桨推进器的研究。由于他的理论基础比较薄弱，对技术原理的了解还不够透彻，而可供参考的中文文献又很少，因此王凯甬下载了30多篇外文文献进行学习。通过深入研究和思考，他发现可以在“机翼”两侧各装一个类似于圆环的前后贯通的涵道，再结合“柯恩达效应”，即可实现无桨技术的运行。

于是，王凯甬和团队开始将“柯恩达效应”与无桨技术结合起来。无桨推进器使用涵道式的机械结构对侧方水体进行微压缩，机器人在水下运行时由涡轮增压机通过涵道在中间形成内圈高压水流，从而带动涵道中心的静态水流动，然后反作用于推进器，实现较大推力。同时，无桨推进率先利用“柯恩达效应”对出水、入水以及管道进行表面优化。此外，该无桨推进器在设计上采用流线型涵道，能高效地将电能转化推进的动能。“其中遇到的最大困难就是涵道模型的设计。”在一年多的实验里，令王凯甬印象最深刻的是设计涵道模型。

但由于实验室设备条件有限，他只能在图纸上大概计算涵道的数据，再用十几个小时的时间将模型打印出来。在将近一年的时间里，王凯甬都在重复着这样的操作，实验室的桌子上、抽屉里、地板上都堆满了废弃的涵道模型。就这样，王凯甬和队员们整个暑假都住在实验室里，每天晚上工作到凌晨，“我做梦都在做实验，大家早上醒来洗把脸就继续干活。”经过一年多的实验，第一代无桨推进水下机器人在王凯甬的坚持和努力下诞生了，并获得了2017OI中国水下机器人大赛二等奖。

2018年8月，王凯甬带领团队参加了2018年中国机器人大赛。“1200分！冠军！”队长王凯甬在比赛现场大声喊道。由他们打造的郑州大学水下巡游机器人凭借着出色的表现夺得了机器人水中巡游项目的冠军。与此同时，他们还参加了机器人水下对抗项目的比赛。参加对抗项目的机器人，是王凯甬在距离比赛仅剩下不到一周的时间里再次创新的。“从塑料手到金属手，是一次技术的突破。”王凯甬说。

前几年的参赛机器人均使用PLA塑料材质的机械手，在激烈的争夺战中经常断裂，以致在比赛中常处于被动的局面。“要想在对抗赛里获胜，机器人的手臂必须有足够的力量应对敌方的攻击，并成功抢到球。”因此，王凯甬采用新工艺的铝合金机械手，利用CNC数控加工铝板，通过机械配合的方式组装成立体机械手，解决了之前存在的弊端，“这才让我们的机器人更加坚固有力，最终获得了对抗项目的三等奖。”

动物行为控制技术再创佳绩

凭借着在无桨领域的不断创新，凭借着求索不止的精神，王凯甬最终站在了第十二届“十佳创新之星——iCAN创业之星”的颁奖台上。在第十二届iCAN国际创新创业大赛中国总决赛开幕式上，王凯甬作为参赛学生的唯一代表发言，并介绍了他新提出的技术——动物行为控制技术。

“运用仿生技术可以做出很逼真的动物，但仿造的动物永远不如真实的动物，所以我就想，能不能发明一套技术直接控制动物的大脑？”带着这样的疑问，王凯甬产生了利用动物的应激反应能力控制动物行为的想法。经过大量的实验与检测，将乌龟对不同的光线、波长等刺激的反应，集成到一个设备上，然后将该设备罩在乌龟的身体上，通过遥控器控制设备，从而控制乌龟的行为。当乌龟的眼睛向右上角看时，在其视线的延长线上打开安装好的LED灯，乌龟的眼睛受到光的刺激，便会将头转向其他方向。“让乌龟代替船潜入水底，我们在陆地上向左控制遥控器，乌龟就会向左爬。乌龟以比机器人更小的体积、更强的机动性实现了水底多维运动。”王凯甬介绍道。

“这种利用光电技术设计的穿戴式的控制技术在一定程度上突破了仿生技术难以达到的技术高度，与现有的仿生技术实现功能性互补。”王凯甬说。2018年10月，该技术已经可以非常准确地控制乌龟。随后，王凯甬也对鸡等禽类动物进行大量实验，收集控制数据。如果成功，将来有望利用鸽子更灵活的运动方式和更广阔的运动范围取代航拍器进行航拍。除此之外，该技术还能应用于特殊场景下的侦查、地质探测、特种任务实现等领域。

凭借着这个可以“直接控制动物大脑”的技术，在第十二届iCAN原创中国精英赛上，王凯甬带领的团队从参赛的35支队伍中脱颖而出，获得特等奖。

在指导老师张宏选看来，王凯甬取得的科创成绩主要取决于他平时勤学好问、坚韧不拔的品质。“他平时非常善于思考，不是把看到的物品看作终极产品，而是看作可以利用或改良的工具，而且他敢于向权威挑战，敢于不断突破自我。虽然‘无浆’失败了很多次，但他一直在坚持，从不放弃。”张宏选说。作为“小平科技创新团队”深蓝科技部的副部长，王凯甬在全身心投入科创的同时，还积极组织和带领团队成员一同进行创新项目，不断取得新成果。

机器人实验室的灯依旧亮到深夜，王凯甬也正向下一个目标迈进——将无桨推进器应用到飞机上。“我国在无桨推进领域还有许多有待进一步研究的方向，急需我们青年人的投入和参与。同时我也想把自己的科技成果推广运用到实际的生产生活中，不能让它们躺在实验室里，而要让它们实现应用价值。”他希望自己将来可以在海洋船舶领域内继续深造，为我国船舶事业的发展贡献自己的青春智慧和力量。（学生记者 滕文强 冯雪 何鑫雨）

王凯甬带领团队获得第十二届 iCAN原创中国精英赛特等奖

王凯甬作为“小平科技创新团队”学生代表参加第十一届中国青少年科技创新奖颁奖大会