“熱食助手”
——基于牛頓冷卻定律自然對流條件下的食物飲品降溫模型

◆重慶市育才中學(xué)校 葛子進 張璽童 伍識誠

本期點評專家

譚迪熬 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

心急吃不了熱豆腐。美食當(dāng)前，很多人都會迫不及待地想要一飽口福，可是，溫度過高的食物會對身體造成傷害。比如：長期食用過燙食物是誘發(fā)食道癌的因素之一；經(jīng)常食用過熱食物會導(dǎo)致炎性反應(yīng)，進一步誘發(fā)癌變。

我們的思考：通過對日常食物的食用溫度進行監(jiān)控，并提供食用、飲用建議，促使人們養(yǎng)成健康的飲食習(xí)慣，降低罹患食道癌的風(fēng)險。

我們的目的：利用人臉識別、語音識別、語音合成、溫度數(shù)據(jù)變化模型等，構(gòu)建一套方便拆卸、適用范圍廣的“熱食助手”，幫助用戶將入口食物或藥物的溫度控制在合適的范圍內(nèi)，保護口腔和食道，為用戶的身體健康保駕護航。

一、方案設(shè)計

模型由兩個模塊組成。第一個模塊是測溫模塊，包含兩個紅外溫度傳感器，用于對食物進行無接觸測量和對室內(nèi)溫度的測量。第二個模塊是人機交互和提醒模塊。

預(yù)設(shè)程序準(zhǔn)備了三種模式，在得到溫度數(shù)據(jù)后計算出冷卻時間，合成語音輸出，并詢問是否設(shè)置提醒。裝置可直接放入容器，使用者只需選定模式后依次測量，就能計算出時間且達到提醒的目的。

設(shè)備中部為一個非接觸式溫度傳感器和一個紅外傳感器，可測量當(dāng)前室溫、食物溫度，一分鐘后記錄數(shù)據(jù)并進行計算。設(shè)備右邊為交互模塊，此模塊配有語音識別、語音合成以及掌控板自帶的顯示屏，用于顯示系統(tǒng)方案中的表格內(nèi)容，對用戶進行提醒。

二、理論論證

應(yīng)用牛頓冷卻定律：當(dāng)物體表面與周圍環(huán)境存在溫度差時，單位時間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比。

為確保理論的可行性和誤差可控，我們用熱水做了實驗，實驗數(shù)據(jù)使用origin 軟件中的指數(shù)衰減方程進行數(shù)據(jù)擬合。如圖1 所示。

圖1 水冷卻曲線數(shù)據(jù)擬合（截圖）

圖2 葛子進在組裝外殼

圖3 成品模型

經(jīng)對比得誤差范圍在±（6 min）內(nèi)，符合模型的要求，可以使用。根據(jù)計算得出時間誤差在54 ℃時為6 min，考慮測量溫度時溫度計的誤差，大致滿足生活需求。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）模型結(jié)構(gòu)

1.制作外殼先在紙上畫出外殼的草圖，左側(cè)為人臉識別入口，右側(cè)為語音識別入口。再將在LaserMaker 軟件中建好的平面圖導(dǎo)入激光切割機中，實現(xiàn)外殼的快速切割成型。最后用熱熔膠對外殼進行膠接。

2.外殼封裝

用熱熔膠槍進行外殼封裝。

（二）模型交互設(shè)計

該模型正面顯示器為交互系統(tǒng)，接通電源后，顯示器會顯示模型的功能和用法，并通過內(nèi)置語音模塊輸出。按白色按鍵可進行選擇，按紅色按鍵可進行確認。

1.左側(cè)測量溫度部分

利用稱重傳感器判斷待測食物是否被放入。指示燈燈光顏色的變化可提醒使用者模型當(dāng)下的工作狀態(tài)：紅燈為提醒放入，藍燈為測量中，綠燈為測量結(jié)束。未使用時，燈光保持白色常亮。

2.右側(cè)交互部分

通過按鈕選擇模式，完成測量后可以得知被測食物的冷卻時間并選擇定時。再次確認程序運行無誤后，用椴木板將所有元器件包裝起來。

四、使用方法

本作品主要有單種食物計算時間、多種食物計算時間平均值、臺燈等模式。

（一）單種食物計算時間模式

當(dāng)選擇屏幕上的對應(yīng)功能后，語音會提醒使用者按照正確的步驟放入食物，在測量完當(dāng)前溫度和一分鐘后的溫度，顯示器顯示并用語音輸出需等待的時間。若想要定時則切換到定時器模式。

（二）多種食物計算時間平均值模式

當(dāng)選擇屏幕上的對應(yīng)功能后，語音會提醒使用者按照正確的步驟放入食物，在測量完當(dāng)前和一分鐘后的溫度，會詢問“是否還需測量更多食物”。若需測量更多食物則重復(fù)上述操作直至測量結(jié)束，然后輸出需等待時間的平均值。

（三） 臺燈模式

當(dāng)選擇屏幕上對應(yīng)的功能后，語音會提醒臺燈模式已開啟。

五、創(chuàng)新點

（一）該作品是牛頓冷卻定律在生活中的具體應(yīng)用。作品通過物理模型，將人們通常只能主觀判斷的食物冷卻時間較準(zhǔn)確地計算出來，利用掌控板的計算優(yōu)勢實現(xiàn)實時結(jié)果輸出。

（二）用戶通過顯示器和語音接收反饋信息，準(zhǔn)確快捷。該模型體積較小，還可當(dāng)臺燈使用。

六、不足與展望

（一）具有一定的時間誤差，對環(huán)境因素的考慮不夠周全，測量結(jié)果存在誤差。用戶黏性不高，模型不夠智能，操作流程還可以簡化。

（二）該作品功能存在局限性，如提醒功能未與手機互聯(lián)，可能無法及時提醒使用者。未來還可以進一步完善，比如通過App 進行互聯(lián)。（指導(dǎo)老師：馮孟坭 鄭霜 任聯(lián)瑋 ）

專家點評

葛子進、張璽童、伍識誠同學(xué)完成的“熱食助手”，是一件充分體現(xiàn)“創(chuàng)意、物化、分享”特點的創(chuàng)客作品。通過這個作品的設(shè)計與制作，幾位同學(xué)的探索與實踐能力等定會有所提高。特別是他們能將所學(xué)的知識、原理、技術(shù)運用到實際生活中，走向“學(xué)中思、思中用、用中創(chuàng)”，以解決實際問題的思路與行為，值得稱道！

常言道：“簡單是發(fā)明的真諦、進步是創(chuàng)新的唯一。”要與同學(xué)、老師們商榷的是，我們無論是做創(chuàng)新作品還是做創(chuàng)客作品，一定要把握這一發(fā)展方向。

有這么個故事，說的是一家企業(yè)設(shè)計研制了一套飲料灌裝生產(chǎn)線。投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，總會有漏灌的空飲料盒出現(xiàn)。怎樣解決這個問題呢？幾位博士從人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等方面考慮，設(shè)計了至少要花幾千萬元人民幣的裝置。而當(dāng)時正在企業(yè)實習(xí)的幾位職專生在生產(chǎn)線旁用一臺電風(fēng)扇一吹便解決了這個問題。方法之簡單、效果之好，令人眼前一亮!