可自動(dòng)裝卸的自定義線路

孟豪澤

摘要：現(xiàn)階段大多數(shù)的臨時(shí)線路都存在無法彎曲，彎曲后會(huì)發(fā)生折斷，靈活性差或者彎曲后固定能力差的缺點(diǎn)，同時(shí)線路的精確長(zhǎng)度較難測(cè)定，并且受到線路材料彈性的影響，導(dǎo)致實(shí)際鋪設(shè)時(shí)常出現(xiàn)線路長(zhǎng)度不足或過長(zhǎng)而產(chǎn)生的材料損耗問題，對(duì)生產(chǎn)生活帶來極大不便。為了能夠讓線路克服這些缺點(diǎn)，我研究了一種可自動(dòng)裝卸的自定義線路，設(shè)計(jì)出可自動(dòng)裝卸的臨時(shí)模版線路，從而達(dá)到裝卸便捷，線路可自定義化的目的，讓線路可以隨意彎曲，并且能夠自行定義增加或者減少線路的長(zhǎng)度，減少對(duì)材料的浪費(fèi)，鋪設(shè)更加靈活。

關(guān)鍵詞：自定義 可裝卸 線路

一、 研究背景及目的

現(xiàn)階段大多數(shù)的臨時(shí)線路都存在無法彎曲，彎曲后會(huì)發(fā)生折斷，靈活性差或者彎曲后固定能力差的缺點(diǎn)，同時(shí)線路的精確長(zhǎng)度較難測(cè)定，并且受到線路材料彈性的影響，導(dǎo)致實(shí)際鋪設(shè)時(shí)常出現(xiàn)線路長(zhǎng)度不足或過長(zhǎng)而產(chǎn)生的材料損耗問題，對(duì)生產(chǎn)生活帶來極大不便。基于此類問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了可利用電磁作為引導(dǎo)的拆卸較為便捷的臨時(shí)線路，用于各類臨時(shí)線路的鋪設(shè)和手腳架等臨時(shí)結(jié)構(gòu)的裝卸，提高其靈活性、自動(dòng)化程度以及可自定義性能。

二、研究過程

1.初步設(shè)想

生物課上，生物老師講到“微絲、微管的踏車行為”，微絲、微管等細(xì)胞骨架可利用極性裝卸實(shí)現(xiàn)骨架網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和調(diào)整，所謂“踏車運(yùn)動(dòng)”，在體外組裝過程中有時(shí)可以見到微絲的正極由于肌動(dòng)蛋白亞基的不斷添加而延長(zhǎng)，而負(fù)極則由于肌動(dòng)蛋白亞基去組裝而縮短，這一現(xiàn)象稱為踏車運(yùn)動(dòng)，原理就是微絲、微管可以無線組合延伸，此原理可應(yīng)用于宏觀的工程設(shè)計(jì)中。其具有的正端組裝，負(fù)端解聚的體系，可用于改良現(xiàn)有的線路搭建體系；家中裝修過程中，需要鋪設(shè)線路，經(jīng)常會(huì)因?yàn)榫€路在實(shí)際鋪設(shè)過程中過長(zhǎng)或者過短，導(dǎo)致線路的浪費(fèi)，還需要重新購(gòu)買線路，重新鋪設(shè)，造成了人、物、財(cái)?shù)睦速M(fèi)；從小父母就教育我勤儉節(jié)約，晚上做作業(yè)時(shí)，正好溫習(xí)到生物老師將到的“微絲、微管的踏車行為”，我就突發(fā)奇想，能不能研究一種能夠通過用戶自行定義長(zhǎng)短的線路呢？讓多根線路的端頭相互組合連接，利用“踏車運(yùn)動(dòng)”原理，微絲、微管本是兩根在長(zhǎng)度方向上側(cè)面疊加，并不會(huì)增加長(zhǎng)度，我突發(fā)奇想，讓線路模仿微絲、微管，但是不是長(zhǎng)度方向上側(cè)面的疊加，而是線路兩端頭相互連接，組合成更長(zhǎng)的線路，可以根據(jù)需要長(zhǎng)短自由組合需要的長(zhǎng)度，這樣就避免了浪費(fèi)。

2.裝置結(jié)構(gòu)

a.線路外部環(huán)境中極性的構(gòu)建：

經(jīng)過綜合考慮，可以運(yùn)用磁鐵的極性來模擬細(xì)胞中的極性。關(guān)于磁鐵的極性構(gòu)建，主要有以下兩種思路：

1、通過在一定空間內(nèi)構(gòu)建勻強(qiáng)磁場(chǎng)模擬：

利用“相隔一定距離的兩個(gè)平行放置的線圈在通電時(shí)，其中間區(qū)域的磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)”這一理論，在一定區(qū)域內(nèi)構(gòu)造出勻強(qiáng)磁場(chǎng)。選用磁體類型為電磁體。這一方法可同時(shí)構(gòu)造出多條線性線路。

2、通過構(gòu)建兩個(gè)異極單極磁體模擬

利用“把無數(shù)條條形磁體的一極（如N極）集中到一起，會(huì)形成一個(gè)中間為一極（N極），外部為一極（S極）的磁球，”這一理論來構(gòu)造單極磁體，并用兩個(gè)異極單極磁體來模擬極性。選用磁體類型為永磁體。

b.線路單體極性的構(gòu)建：

模擬方式與在外部環(huán)境中相似，通過磁體兩極來模擬，選用磁體類型為電磁體。

c.電源的設(shè)定

1、電源類型：交流電源

2、路端電壓的曲線方程：U=Asin（ωt+φ）+B

（A>B>0，ω>0）

d.線路單體的磁性變化的周期問題

由“路端電壓的曲線方程”可得，電壓波動(dòng)的周期T=2π/ω。為方便研究，可將φ值定義在（-2π/ω， 2π/ω）區(qū)間內(nèi)。設(shè)路端電壓U>0時(shí)線路單體（以下簡(jiǎn)稱為單體）的N極為C端，S極為D端。則：

當(dāng)t∈（[arcsin（-B/A）-φ+2kπ]/ω，[π-φ-arcsin（-B-A）+2kπ]/ω） k∈Z時(shí)，U>0，此時(shí)C端為N極，D端為S極；

當(dāng)t∈（[-π-φ-arcsin（-B/A）+2kπ]/ω，[arcsin（-B/A）-φ+2kπ]/ω） k∈Z時(shí)，U<0，此時(shí)C端為S極，D端為N極；

則在一個(gè)周期內(nèi)：

U>0時(shí)，Δt1=[π-2arcsin（-B/A）]/ω

U<0時(shí)，Δt2=[2arcsin（-B/A）+π]/ω

可得，A-B的值越小，Δt1越大，Δt2越小；當(dāng)A-B值接近0時(shí)，U<0的圖像可蜷縮至近似于一個(gè)個(gè)不連續(xù)的點(diǎn)。在此條件下，一個(gè)單體絕大部分時(shí)間內(nèi)C端為N極，D端為S極；而在某些時(shí)間點(diǎn)，C端和D端則會(huì)分別具有S極和N極的性質(zhì)。若在此基礎(chǔ)上提高φ值在其定義域內(nèi)的隨機(jī)性，則可使一定區(qū)域內(nèi)任意兩單體在U<0時(shí)t的區(qū)間出現(xiàn)重疊的幾率降低到接近于0，從而使一定區(qū)域內(nèi)任意兩單體的C端（或D端）在大部分時(shí)間內(nèi)具有相同極性，而在某些時(shí)間點(diǎn)內(nèi)具有相異的極性。

3.方案的改進(jìn)

此設(shè)定可保證線路中的單體具有一定的穩(wěn)定性，同時(shí)也賦予了裝置較大的隨機(jī)性，從而得以實(shí)現(xiàn)組裝、拆解雙向的自動(dòng)化。為實(shí)現(xiàn)雙向自動(dòng)化，單靠電壓的設(shè)定是不夠的，還應(yīng)在機(jī)械設(shè)計(jì)上加以改良。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械扣鎖。

線管-1；單極磁體N極-2；單極磁體S極-3；扣鎖槽-4；扣鎖扣-5；霍爾元件-6；單極磁體N極帽子-7；單極磁體S極帽子-8，屏蔽層-9。

扣鎖槽為一單極磁體的N極，即線管D端；扣鎖扣為另一單極磁體的S極，即線管C端。一個(gè)線管兩端均設(shè)置扣鎖，線管C端設(shè)置扣鎖扣，線管D端設(shè)置扣鎖槽，扣鎖槽等分為四瓣，每個(gè)扣鎖槽都由聯(lián)動(dòng)裝置連接，這種聯(lián)動(dòng)裝置可以為電推桿推動(dòng)扣鎖槽沿線管徑向移動(dòng)，每個(gè)線路上的扣鎖槽對(duì)應(yīng)單極磁體的相斥或者相吸，使扣鎖槽同步打開或者閉合，當(dāng)單極磁體相吸時(shí)，扣鎖槽閉合，對(duì)應(yīng)扣鎖扣能夠插入扣鎖槽中，實(shí)現(xiàn)鎖定，當(dāng)單極磁體相斥時(shí)，扣鎖槽打開，對(duì)應(yīng)扣鎖扣能夠從扣鎖槽中脫離，實(shí)現(xiàn)線路斷開，在上述基礎(chǔ)上提高φ值在其定義域內(nèi)的隨機(jī)性，A-B的值越小，Δt1越大，Δt2越小；當(dāng)A-B值接近0時(shí)，U<0的圖像可蜷縮至近似于一個(gè)個(gè)不連續(xù)的點(diǎn)。在此條件下，一個(gè)單體絕大部分時(shí)間內(nèi)C端為N極，D端為S極，從而使線管相吸；則可使一定區(qū)域內(nèi)任意兩單體在U<0時(shí)t的區(qū)間出現(xiàn)重疊的幾率降低到接近于0，從而使一定區(qū)域內(nèi)任意兩單體的C端（或D端）在大部分時(shí)間內(nèi)具有相同極性，從而使線管相斥。由于單極磁體的磁感線是呈輻射狀的，在線路的磁體內(nèi)外設(shè)置屏蔽管，防止磁感線對(duì)線路造成影響。

4.操作方法

將扣鎖進(jìn)行鎖定，通過單極磁體將兩段線路吸引，通過屏蔽層將單極磁體的磁感線進(jìn)行屏蔽，使線路能夠自定義設(shè)定長(zhǎng)短，結(jié)合前文所述的電壓，可達(dá)到裝卸雙向自動(dòng)化的要求。

可將線路分為兩類：

1、線性線路：利用勻強(qiáng)磁場(chǎng)構(gòu)建的線路，能夠建造出標(biāo)準(zhǔn)的直線線路。

2、非線性線路（自定義線路）：利用兩個(gè)單極磁體構(gòu)建線路，可將N極單極磁體作為固定端，將S極單極磁體作為一支“筆”，按照預(yù)先設(shè)定的路徑在一定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)其間將單體鋪設(shè)在路徑上。此方法可構(gòu)建出任意連續(xù)的非線性線路。此方式需要求單體主體的結(jié)構(gòu)材料能在短時(shí)間內(nèi)具有一定的可塑性，并在之后能夠有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，不易變形。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸，還要再設(shè)計(jì)一個(gè)帽子結(jié)構(gòu)。分為N極帽子和S極帽子：

1、S極帽子：

在S級(jí)加一個(gè)帽子，可以阻止S極的解聚，從而使線路延長(zhǎng)。

2、N極帽子：

在N極加一個(gè)帽子，可以阻止N極的組裝，從而使線路縮短。

三、結(jié)論

本項(xiàng)目研制的可自動(dòng)裝卸的自定義線路，利用“微絲、微管的踏車行為”，讓線路模仿微絲、微管，但是不是長(zhǎng)度方向上側(cè)面的疊加，而是線路兩端頭相互連接，組合成更長(zhǎng)的線路，可以根據(jù)需要長(zhǎng)短自由組合需要的長(zhǎng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)線路自動(dòng)組裝和解聚功能，能夠自行定義增加或者減少線路的長(zhǎng)度，減少對(duì)材料的浪費(fèi)，鋪設(shè)更加靈活，希望以后我發(fā)明的可自動(dòng)裝卸的自定義線路能夠普及，這樣就能讓更多的家庭減少線路的浪費(fèi)，為祖國(guó)節(jié)約資源，同時(shí)保護(hù)了環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]邢艷麗 .李靜 .耿美玉，《細(xì)胞遷移中微絲微管的變化及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究進(jìn)展》，現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2007.07