如果给您一百英镑用于改造一架无人机,让其能投入到动物保护领域中,您会有怎样的改造创意?BIEA(2019)国际青少年科创大赛入围决赛的18个国家地区共计45支队伍,运用他们所掌握的STEM知识及对保护濒危动物的人文情怀,发挥团队精神将天马行空的改造想法变成可被实践的创意报告,最终在上百份报告中脱颖而出给大赛评委留下深刻印象。

本届大赛主题为“无人机大战物种灭绝”,拯救濒危动物是无人机改造的初衷,这些动物可能处于高原、沙漠、海洋或平原,复杂的飞行环境是改造工作面临的重要挑战。令人惊喜的是,在入围决赛的45支队伍提交的创意报告中,三个年龄组的科创青少年们都敏锐地捕捉到问题的关键点。

外形改造作为各队伍关注的首要环节,青少年们不仅考虑到温度、风沙等自然因素对机身的要求,还考虑到隐蔽性、便携性等机身因素对执行任务的影响。9-11岁年龄组的队伍通过绘画形式绘制了他们理想的无人机样式,11-14岁、15-17岁年龄组的队伍则借助CAD软件及3D打印技术设计出他们心中的无人机。科创青少年们还通过反复的比对、验证,在固定翼无人机,多旋翼无人机、单旋翼无人机等类型中,挑选出能更好适应飞行环境的机型进行改造。大家各凭能力运用所掌握的STEM技能为梦想插上飞翔的翅膀。

在这场看似非常酷的拯救行动背后,如何借助无人机跟踪目标动物、记录它们的生存状态、帮助护林人员发现偷猎者,是对青少年们STEM技能的巨大挑战。无人机的飞行高度与噪音将决定其会否对动物造成惊吓或被偷猎者发现从而被击落。怎样改造无人机令它飞得更高、产生的噪音更小、获取的影像更多更全面更清晰是每支队伍都在考虑并致力解决的问题。

科创青少年们讨论的第一个重点是无人机机身的选材问题。首先,机身材料要选用质量轻、强度高的材料,目的是提高飞行的稳定性与承载能力,同时降低能耗。其次,机身材料要有良好的外部环境适应性,比如对大气湿度、温度、光照、风速等外部条件急剧变化时的适应能力。铝合金、镁合金、EPP材料、EPO材料、ABS塑料、碳纤维复合材料等可用于制作机身的材料纷纷被纳入科创青少年们的视野。经过反复论证与实验,碳纤维复合材料因其质量轻、强度高、稳定性高成为大多数队伍的首选材料。

好的机身材料保证了无人机在不同环境条件下的正常作业并有助提高其飞行高度,但它并不能更好地解决无人机的噪音问题。机智的科创青少年们把解决问题的焦点集中在电机身上,因为低频使用电机能有效降低噪音带来的影响。非常多的队伍在报告中论证了这一想法并给出选择相应电机的理由。英国有支队伍从无人机结构及负载能力方面考虑,借助空气动力学知识减少电机压力,在降低噪音的同时提高了无人机的机动性;中国有支队伍通过计算每台无人机可承受的发动机重量并结合KV值等数据挑选了理想的电机模型;斯里兰卡的一支队伍则发现采用无刷电机能更好地减少噪音。

在有效解决了无人机的机身选材及噪音问题后,如何实现动物追踪、发现偷猎者、完成拯救任务成为所有参赛队伍的终极挑战!科创青少年们在无人机控制、摄像机跟踪拍摄、数据处理上苦心钻研,每支队伍都提出了自己的独到创意。

北爱尔兰一支队伍深入研究相机与无人机身绞盘的连接和防水措施,以令其能更靠近水面;中国一支队伍则考虑用星光级超低照度传感器摄像头来提高无人机夜间拍摄的图像质量;墨西哥有队伍决定用红外摄像机和远程相机来识别对象并验证动作的准确性;加拿大有队伍采用热成像相机来收集动物数据。至于通过不同摄像机采集到的动物数据应该如何解读,科创青少年们更是各显其能。或运用Python编程实现无人机控制、或使用arduino模组实现无人机视觉算法、或加入AI算法提高无人机的自适应能力及识别精度……科创青少年们将他们所学到的多门学科知识进行融合、输出,最终提交了一份份具有自身团队特色的无人机创意改造报告。

STEM教育已然成为国际教育舞台上最璀璨的明星,然而STEM并不单向青少年灌输科创知识,更重要的还需要为他们提供输出知识的实践平台。毕竟创新是一个高度复杂的系统工程,唯有学以致用,为科创青少年们提供多学科知识综合运用的机会,让青少年在日新月异的科技发展中创新思维,掌控科技并培养其心怀世界的人文态度,我们的乐见未来才得以到来!