看翱翔数学与信息科学领域培养基地——北京市第八十中学培养的翱翔娃!

北京日期:2021-10-13 18:18

    

       张功润、张功泽,翱翔数学与信息科学领域第十三批学员,由领域培养基地北京市八十中学培养,在实践基地中科院软件所人机交互与智能信息处理实验室开展《可灭菌环境下使用的全密封马达及其自动控制技术》的课题研究。




学员作品:

可灭菌环境下使用的全密封马达及其自动控制技术


论文摘要

   传统的培养箱与振荡器的组合装置,或者普通的振荡培养箱用于细胞培养时,由于振荡系统要求带来的复杂性,对培养箱进行彻底的清洁、消毒杀菌往往效果不好。本项目研制了一种新型全密封直驱马达,可以直接安装在全密封的振荡培养箱内部,并且可以在灭菌环境下使用,负载量大,而且运行放热量很小,静音稳定,很好地解决了由于振荡对培养箱消毒杀菌带来的困难。我们为这种马达开发了可智能化控制的系统,并将其应用在新型洁净型振荡培养箱中,通过各种技术的综合应用实现了对较大腔体内的振荡型的细胞培养所需要的各种参数的精密控制。由于培养腔内的流动气体可以均匀地分布到培养腔的各处,可以非常有效地使用导入气体对箱体进行彻底清洁、消毒杀菌。控制系统采用基于ARM的嵌入式控制系统,自主设计智能化的软件,实现对全密封直驱马达的精确控制,并且可以与多个培养参数共同进行程序运行,满足长时间培养的可靠性要求。


关键词:全密封电机,直驱电机控制系统,振荡培养箱,细胞培养

彩页


增长见识 磨炼意志

张功润


    从初中开始,我就对翱翔学员培养实践有所了解,并很有兴趣。经过一年多的实践,我见识了许多,也收获了许多。在高中的课余生活,我忙碌在查找资料中,奔波于实验室、研究所中。虽然,有时很累,但我是快乐充实的,因为我正为自己感兴趣的事所劳累着。

    “翱翔”把我和爱好科技的同学汇集在一起,我们有着相同的兴趣,共同的关注点我们每一时刻都过得很充实。在与同伴和导师的商讨下,我确定了大致的研究内容和方向。

    由于2019年12月26日新冠疫情爆发,在经过资料的查询,我发现想要根除疫情,应发明生产相应的疫苗,从本质上来讲,疫苗是一种灭活或者减毒的病原体,疫苗的生产依靠生物培养的技术。因此用于细胞的振荡培养箱是生产疫苗的关键设备之一。于是我们产生了一个想法,制作细胞培养箱的核心部件,制作一个“可灭菌环境下使用的全密封马达”并研究其自动控制技术。

    通过查阅资料,我和同伴发现以往的振荡培养箱,由于其振荡器的开放式或分离式设计,导致外来物质,例如污染物、细菌等容易进入振荡器内部,可能造成难以清洁振荡器和污染细胞培养物的问题。因此我们设计了一个更加高效的马达。并在2020年8月完成了马达制作,在2020年11月基本完成了人机互动控制技术的开发。

   在导师的帮助下,我们又完成了马达的各种测试,并针对测试中的各种问题进行了解决和进一步的升级。

    在翱翔学员培养实践一年多的生涯中,我学会了许多专业知识,多次面对困难的经历使我的意志得到了磨炼,曾经的我在别人的帮助下才能完成,现在我能独立的有序的去思考,去解决。同时,也感谢同学的配合,家人的陪伴,老师的指导。翱翔让我的高中生活变得更加充实。


学到知识 收获友谊 锻炼能力

张功泽


从初中开始我便渴望成为一名翱翔学员。初中时老师曾带我们了解过翱翔学员培养实践,能在科学家身边做实验,得到科学家的指导是我一直以来的愿望。当时看着高中部的翱翔学员们在老师的指导下完成实验,我的羡慕之情溢于言表,而这对于当时的我来说是一个遥不可及的梦想,直到我升入高中部才离这个梦想近了一步。高一刚刚入学不久,我便收到了学校关于翱翔学员选拔的通知,作为一名喜爱科技,信息技术的学生,我立刻就报了名,在完成翱翔学员的选拔之后,我终于成为了梦寐以求的翱翔学员。

去年是多灾多难的一年,新冠疫情在武汉爆发,我们的翱翔夏令营也因此无法在线下进行,改为了线上学习。在为期近两周的线上学习的过程中我们学习了Python编程语言,人工智能的基础算法,大数据和新冠地图搭建,数学与信息科学,还有论文的基本写作方法。在线上学习结束后我们完成了和高校导师的对接,在我反复地思考和比对下并在和基地校指导老师贾老师讨论后,我最终选择了中科院人机交互实验室,跟随田丰教授进行翱翔相关内容的学习。

新冠肺炎无疑是去年最重大的一个事件,在联系了课内学习的内容和网上查阅的资料后,我发现迄今为止的大型传染病基本都是在疫苗开发成功后才得到控制的,而疫苗培养需要用到培养箱。所以我在和导师讨论后,希望制作一个用于细胞培养的可灭菌环境下使用的全密封马达及其自动控制技术。在确立了研究方向后我首先需要做的就是查阅这方面现有的资料,从前人那里汲取智慧,去站在巨人的肩膀上解决问题。之后我和搭档学习了CAD制图相关的内容并在现有马达的基础上进行了修改,设计了我们自己的马达并委托进行了加工制作。完成硬件部分的制作后就是马达控制软件的编写了,我们在导师的帮助下用C语言编写了马达的控制程序并将其导入到单片机中完成了控制系统的开发。但是我的制作过程也不是一帆风顺,刚开始是马达转速和设定转速不符,不过我和搭档知难而上,反复调试控制程序最终找到了程序的问题所在并将其更正,成功完成了马达制作和控制系统的开发。

苦心人天不负,经过了我和搭档的不懈努力,我们终于在规定的时间内完成了所有的任务,制作出了一个可灭菌环境下使用的全密封马达并完成了其自动控制技术的开发,顺利的通过了答辩,并获得在场专家们的一致好评。

在为期一年的翱翔学员培养中,我学到了知识,收获了友谊同时也锻炼了自己的动手能力和实验操作能力。这一年中我非常感谢中科院人机交互实验室的田丰教授和八十中学的贾老师给予我的帮助,正是有了他们的帮助我才得以顺利完成翱翔探究,他们不仅帮助我解决问题,同时还让我明白了科学家在遇到困难时是如何做的,真正让我理解了在科学家身边成长的意义不只是学习知识,更是学习科学家勇于探索、开拓创新、不畏艰难险阻的品质。感谢翱翔给予了我这样一个平台让我得以在自己的人生中展翅翱翔。

导师点评

       


培养基地指导老师点评


这两年,新冠病毒肆虐全球,两位同学联系社会生活的实际需要,研究用更科学的方法消灭病菌,具有重要的研究价值和实践意义。他们通过翱翔计划的课题研究锻炼了自己科学研究能力,了解了科学研究的一般过程,掌握了文献综述、开题报告、实验等多种研究的方。他们利用几年的课余时间学习编写程序,在翱翔期间学习了丰富的信息技术的系列课程,增长了信息技术知识。通过去高校的实验室,认真向导师求教,自主学习、探究、解决问题的能力都有了长足的进步。         

北京市第八十中学指导教师 赵辉


张功润和张功泽是从小学就开始学习C++程序设计,是两名爱动脑筋、爱研究、积极进步的学生。他们加入翱翔创新学院以来,积极联系高校实验室导师,结合疫情下灭菌的需要,进行了认真选题,通过课题研究不断学习,不断进步和成长。在研究“可灭菌环境下使用的全密封马达及其自动控制技术”的过程中,积极探索求知,克服困难,取得优异的成绩。

  北京市第八十中学指导教师 贾志勇

   

培养基地校长点评


张功润和张功泽同学通过参加翱翔学员培养实践,掌握了科学研究的方法与技能,增强了自主学习的能力,善于提出问题, 勇于创新实践,这种锻炼和成长会让他们终身受益。

北京市第八十中学校长 田树林


实践基地指导教师点评



张功润和张功泽两位同学对培养箱内实施全面安全灭菌的选题具有很好的研究价值和意义。通过翱翔的学习,一年来掌握课题的基本原理,具有良好的基本科学素养,思维敏捷,对科学研究有浓厚的兴趣,在参加活动中,虚心好学,方向明确,思路清楚,学习态度严谨,具有较强的自觉性、计划性并且能够不怕吃苦,持之以恒。有钻研精神并具有一定的发展潜力。

中国科学院软件研究所教授 田丰  



专家点评


阮秋琦,北京交通大学教授、博士生导师


张功润、张功泽同学的项目选题结合当前全世界面临的热点问题需求:为疫苗的研究与生产制作可靠的装备,该课题具有很强的实践价值,该研究课题刚好是现在科学研究的一个热门领域:BIT技术,也就是借助BT(生物技术)IT(信息技术)融合的力量, 支持生命科学的研究。  

两位同学在查阅论文和专利的过程中,发现现在生物专家正在使用的细胞培养的振荡培养箱,存在很多缺陷,如自动控制性能不完善,不能进行彻底灭菌等缺陷,针对该现实问题开展了灭菌环境下使用的全封闭马达及时自动控制技术的研究,成功设计制作了马达,并对马达进行了全面独立性能测试,也将全封闭马达安装在细胞振荡培养箱内进行综合性能测试,实验数据表明产品性能完全达到设计目标。两位同学在研究过程中,查阅了大量的生物培养关联的资料文献,也学习了单片机知识,CAD制图,学习了C语言,Java等编程语言,在此基础上设计制作了马达和马达的控制单元。这些工作体现了他们在翱翔计划一年中的认真学习和积极探索品质,也激发了他们对信息学、生物学等学科的兴趣。


供稿:贾志勇


组织筹划:张毅

协调安排:朱娜







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