论文部分内容阅读
肖轶杰的爷爷多才多艺，酷爱书法，几乎天天写字作画。肖爷爷书写时，特别喜欢让肖轶杰在旁边研墨，家里人打趣称轶杰是爷爷的小书童。有一次，肖轶杰因作业多，见爷爷不在，就把买来的墨汁倒入砚台想蒙混过关。爷爷准备写字时，望了一眼砚台，又闻了闻墨汁，然后问：“轶杰，你研的墨呢？”调皮的轶杰说：“墨研好在砚台里呢！”爷爷脸色严肃起来，说：“这哪是研的墨呀，咱家研墨用的水还加了绿茶的呢，那股清香在书房门口都能闻到。”轶杰立马如实交代，并问爷爷：“为什么您书写一定要研墨而不用现成的墨汁呢？”爷爷说了一大堆研墨书写的好处，如研的墨运笔时更流畅，写出的颜色更漂亮，作品存放越久越漂亮，研的墨对纸张适应程度更高，书写时变化更大等。可是研墨不仅要花费时间，研磨久了手会累得发酸，而且一不小心还容易弄脏衣服和手。
在学校组织的课外发明创造活动中，我们几个兴趣相同的同学凑到一块想课题，想来想去，终于从肖轶杰给爷爷研墨的故事中获得了创意：能否发明一款用机械代替人工研墨的器具呢？我们将想法告诉了青少年创新工作室的老师，得到了指导老师的认可，并要求我们仔细观察用手研墨的运动，在此基础上进行创新思考。在进一步的思考中，我们对用机械模仿人工研墨时的手腕运动产生了兴趣，于是形成了《基于仿生原理设计的群墨研磨器》的发明创造课题。
本发明研究与设计的目的，是对研墨机理分析的基础上，应用仿生学原理设计一种具有均匀研墨、高效研墨和自动研墨的器具。本发明的意义在于以下几点。
（1）本发明使传统的砚台结构形态和使用方式发生了前所未有的变革，能夠给“文房四宝”家族中增添一个新成员，对“文房四宝”的产品研发具有一定的启示作用。
（2）新型群墨研磨器的使用不仅解放了人们的手工研墨作业，提高了研墨的效率和质量，而且对提升人们对中华传统书画文化的兴趣具有一定的促进作用。
（3） 培养我们从小观察身边事物、勤于思考、热爱创新的习惯。
设计具有均匀研墨、高效研墨和自动研墨特性的研墨器，必须建立在对研墨机理分析研究的基础上。
用墨在砚台中研制墨汁，看起来是一件十分简单的事情，但简单的事情中也包含有一定的学问。了解其中的机理，对于指导新型研墨器的设计具有重要的作用。
经过仔细观察与认真分析，我们了解到研墨是一个系统过程。它包括四个组成要素：墨块、砚台、水和磨墨力。其中，墨块是产生墨汁的材料；砚台是研墨和储汁的器具；水是将墨粒转化为墨汁的基本介质；在人工研墨时，要用手指夹持墨块，并施加一定的压力，与此同时，手臂带动手腕做圆周运动，在墨块与砚台接触处的摩擦力是产生墨汁的有效作用力，即所谓的研墨力。
从机理上说，研墨过程是通过墨块与砚台之间的摩擦力作用，使墨粒逐步与墨块分离并与水融合而获得墨汁的过程。显然，摩擦力是决定研墨效果和效率的重要因素。
从科学书及科学书教学参考资料可知，摩擦力的大小取决定于正压力的大小和摩擦面的粗糙程度。其中，正压力的大小取决于人的施力，光滑与粗糙程度则与墨块与砚台的质地相关。
采用墨块与砚台获得的墨汁，必须满足书画所需要的浓度和均匀度，这取决于水与墨的比例和研磨时间。
设计方案是将创意转化为作品的创造性思考过程。从总体上说，本发明的设计思路有以下几点：
（1） 设计方案应当满足均匀研墨、高效研墨和自动研墨的特性要求。
（2） 设计方案应当实现以下功能要求：
持墨功能——夹持墨块（条）；
运动功能——产生研墨运动；
调节功能——自动调节墨块磨损；
注水功能——自动向摩擦面注水。
（3） 模仿人工研墨中的肢体运动，进行仿生设计。如：
持墨功能——可以模仿手指夹持墨条设计；
运动功能——可以模仿手臂手腕运动设计；
调节功能——可以用弹簧力代替手对墨块的压力；
注水功能——可以借鉴用手指压海绵出水的注水方式。
通过讨论，我们先后形成了三个设计方案。
方案A和方案B，均由电动机、砚台、墨块夹头、弹簧、支座、注水头六部分组成。这两种方案的结构简单，但方案A有一个缺点，就是研墨均匀性差、效率低。方案B是由电动机带动砚台转动而墨块不动，来实现研磨墨功能的，显然，只有停止研墨后才好蘸墨书写。
方案C由电动机、砚台、墨块夹头、弹簧、支座、注水头和铰链组成。此方案的特点是采用多个墨块均匀分布在圆周上，墨块转动，砚台不动。传动中增加了球铰链（球关节），可以灵活地模仿手腕的运动。
无论哪种方案，都要有磨墨头。磨墨头由夹头、墨块、弹簧、套筒组成，使用时，将墨块插入套筒中，与弹簧接触，弹簧装入套筒的圆孔中，使墨块在研墨过程中始终与砚台表面接触，以保证研墨必要的摩擦力。
在加水器设计方面，可以有多种方案，如下图所示的活塞式手动间歇加水和碰撞式自动间歇加水。
根据方案A制作的研墨器，采用砚台转动，墨条不动的研墨方式。它由驱动部分（电动机、传动机构）、砚台、墨块夹（夹头、弹簧、攻丝墨套、螺帽）、支座、注水头组成。
在制作该作品的过程中，涉及电子技术的应用。我们使用的电子元件是从电器修理店获得的。为了实现低压安全研墨，我们将220伏电源通过变压器变成9伏电源；通过四个二极管整流成9伏直流电。采用9伏直流电动机，通过变速器获得研墨所需要的转速。研墨时，用弹簧固定的墨块贴在砚台里边，带动砚台匀速运动，实现研墨功能。
通过实验发现，这样设计的研墨器是能够实现机械研墨的，但由于是砚台转动，必须在停止磨墨之后才方便蘸墨写字作画。
根据方案B制作的研墨器，砚台不动，通过墨条转动实现研墨。它由底座、支架、电动机、传动部分、台板（能固定活塞加水储墨装置）、手动间歇活塞加水器、储墨器、卧式笔架台和笔架挂梁组成。需要研墨时，接通电源，电动机工作（这款模型采用的是摇头式风扇上的电动机，它可以顺时针或逆时针方向转动），通过传动部分带动墨块转动研墨。书写完毕后，剩余的墨汁进入储墨器。 这种研墨器解决了前一种研墨器在磨墨过程中不能蘸墨书写的问题，但在试用过程中，又发现这款研墨器还不能有效解决墨头磨损补偿的问题和高效磨墨的问题。
根据方案C制作的研墨器，由电动機、砚台、墨块夹头、弹簧、支座 、铰链、底座、注水头组成。与前两种磨墨器相比，它采用了多个墨块的“群墨”参与研墨方式，且在传动链中增加了球形铰链，解决了墨头磨损补偿和自动加水的问题。
通过三种研墨器的实验比较，我们认为根据方案C设计制作的研墨器更能达到设计预期，能够实现均匀研墨、高效研墨、自动研墨的性能要求。
本发明在观察分析人工研墨特点的基础上，利用仿生学原理设计出一种具有均匀研墨、高效研墨和自动研墨的新器具，对弘扬中华传统文化，提升书画兴趣以及促进文房四宝的产品研发具有一定的作用。其技术上的创新点有以下三点。
（1） 变单墨块研墨为多墨块（群墨）研墨，提高了研墨的工作效率。
（2）在实现关键性的均匀研墨性能要求方面，采取了三种措施：一是让墨块做匀速圆周运动；二是设置球关节增加运动柔性；三是在墨块与砚台之间设置弹簧，形成合力锁，并能对墨块磨损进行补偿。
（3） 采用碰撞式间歇注水，方法简单可靠。
（1） 增加对墨汁浓度的测试。
（2） 进行艺术造型设计，使之成为优雅的书房雅品。
（1） 创新并不神秘，只要我们细致观察身边的事物，并利用所学知识创造性地解决身边存在的问题，就能有所创造，并能在创新过程中体验成长的快乐。
（2） 集体项目的完成，必须依靠集体智慧、相互协作，合理的分工、智力的互补是顺利完成项目的重要保证。
（3） 该发明的顺利完成，离不开隆回县青少年校外教育活动中心创新教育辅导老师的培训，感谢科技辅导老师的精心指导和学校的大力支持，感谢木工师傅和电工师傅为我们提供帮助。
【编者的话】
创新的灵感源于对生活的热爱。小发明者在对身边事物仔细观察的基础上，突破传统，提出创造性解决问题的方法，并依靠科学知识一步一步解决遇到的各种问题，最终完成新型群墨研磨器的发明。该发明不仅解放了人们的手工研墨作业，提高了研墨的效率和质量，还提升了文房家居的品位，让我们的生活变得更加美好。该发明荣获全国青少年科技创新大赛二等奖。
（指导教师 伍冬云 刘春艳
编辑 孙世奇）
在学校组织的课外发明创造活动中，我们几个兴趣相同的同学凑到一块想课题，想来想去，终于从肖轶杰给爷爷研墨的故事中获得了创意：能否发明一款用机械代替人工研墨的器具呢？我们将想法告诉了青少年创新工作室的老师，得到了指导老师的认可，并要求我们仔细观察用手研墨的运动，在此基础上进行创新思考。在进一步的思考中，我们对用机械模仿人工研墨时的手腕运动产生了兴趣，于是形成了《基于仿生原理设计的群墨研磨器》的发明创造课题。
本发明研究与设计的目的，是对研墨机理分析的基础上，应用仿生学原理设计一种具有均匀研墨、高效研墨和自动研墨的器具。本发明的意义在于以下几点。
（1）本发明使传统的砚台结构形态和使用方式发生了前所未有的变革，能夠给“文房四宝”家族中增添一个新成员，对“文房四宝”的产品研发具有一定的启示作用。
（2）新型群墨研磨器的使用不仅解放了人们的手工研墨作业，提高了研墨的效率和质量，而且对提升人们对中华传统书画文化的兴趣具有一定的促进作用。
（3） 培养我们从小观察身边事物、勤于思考、热爱创新的习惯。
设计具有均匀研墨、高效研墨和自动研墨特性的研墨器，必须建立在对研墨机理分析研究的基础上。
用墨在砚台中研制墨汁，看起来是一件十分简单的事情，但简单的事情中也包含有一定的学问。了解其中的机理，对于指导新型研墨器的设计具有重要的作用。
经过仔细观察与认真分析，我们了解到研墨是一个系统过程。它包括四个组成要素：墨块、砚台、水和磨墨力。其中，墨块是产生墨汁的材料；砚台是研墨和储汁的器具；水是将墨粒转化为墨汁的基本介质；在人工研墨时，要用手指夹持墨块，并施加一定的压力，与此同时，手臂带动手腕做圆周运动，在墨块与砚台接触处的摩擦力是产生墨汁的有效作用力，即所谓的研墨力。
从机理上说，研墨过程是通过墨块与砚台之间的摩擦力作用，使墨粒逐步与墨块分离并与水融合而获得墨汁的过程。显然，摩擦力是决定研墨效果和效率的重要因素。
从科学书及科学书教学参考资料可知，摩擦力的大小取决定于正压力的大小和摩擦面的粗糙程度。其中，正压力的大小取决于人的施力，光滑与粗糙程度则与墨块与砚台的质地相关。
采用墨块与砚台获得的墨汁，必须满足书画所需要的浓度和均匀度，这取决于水与墨的比例和研磨时间。
设计方案是将创意转化为作品的创造性思考过程。从总体上说，本发明的设计思路有以下几点：
（1） 设计方案应当满足均匀研墨、高效研墨和自动研墨的特性要求。
（2） 设计方案应当实现以下功能要求：
持墨功能——夹持墨块（条）；
运动功能——产生研墨运动；
调节功能——自动调节墨块磨损；
注水功能——自动向摩擦面注水。
（3） 模仿人工研墨中的肢体运动，进行仿生设计。如：
持墨功能——可以模仿手指夹持墨条设计；
运动功能——可以模仿手臂手腕运动设计；
调节功能——可以用弹簧力代替手对墨块的压力；
注水功能——可以借鉴用手指压海绵出水的注水方式。
通过讨论，我们先后形成了三个设计方案。
方案A和方案B，均由电动机、砚台、墨块夹头、弹簧、支座、注水头六部分组成。这两种方案的结构简单，但方案A有一个缺点，就是研墨均匀性差、效率低。方案B是由电动机带动砚台转动而墨块不动，来实现研磨墨功能的，显然，只有停止研墨后才好蘸墨书写。
方案C由电动机、砚台、墨块夹头、弹簧、支座、注水头和铰链组成。此方案的特点是采用多个墨块均匀分布在圆周上，墨块转动，砚台不动。传动中增加了球铰链（球关节），可以灵活地模仿手腕的运动。
无论哪种方案，都要有磨墨头。磨墨头由夹头、墨块、弹簧、套筒组成，使用时，将墨块插入套筒中，与弹簧接触，弹簧装入套筒的圆孔中，使墨块在研墨过程中始终与砚台表面接触，以保证研墨必要的摩擦力。
在加水器设计方面，可以有多种方案，如下图所示的活塞式手动间歇加水和碰撞式自动间歇加水。
根据方案A制作的研墨器，采用砚台转动，墨条不动的研墨方式。它由驱动部分（电动机、传动机构）、砚台、墨块夹（夹头、弹簧、攻丝墨套、螺帽）、支座、注水头组成。
在制作该作品的过程中，涉及电子技术的应用。我们使用的电子元件是从电器修理店获得的。为了实现低压安全研墨，我们将220伏电源通过变压器变成9伏电源；通过四个二极管整流成9伏直流电。采用9伏直流电动机，通过变速器获得研墨所需要的转速。研墨时，用弹簧固定的墨块贴在砚台里边，带动砚台匀速运动，实现研墨功能。
通过实验发现，这样设计的研墨器是能够实现机械研墨的，但由于是砚台转动，必须在停止磨墨之后才方便蘸墨写字作画。
根据方案B制作的研墨器，砚台不动，通过墨条转动实现研墨。它由底座、支架、电动机、传动部分、台板（能固定活塞加水储墨装置）、手动间歇活塞加水器、储墨器、卧式笔架台和笔架挂梁组成。需要研墨时，接通电源，电动机工作（这款模型采用的是摇头式风扇上的电动机，它可以顺时针或逆时针方向转动），通过传动部分带动墨块转动研墨。书写完毕后，剩余的墨汁进入储墨器。 这种研墨器解决了前一种研墨器在磨墨过程中不能蘸墨书写的问题，但在试用过程中，又发现这款研墨器还不能有效解决墨头磨损补偿的问题和高效磨墨的问题。
根据方案C制作的研墨器，由电动機、砚台、墨块夹头、弹簧、支座 、铰链、底座、注水头组成。与前两种磨墨器相比，它采用了多个墨块的“群墨”参与研墨方式，且在传动链中增加了球形铰链，解决了墨头磨损补偿和自动加水的问题。
通过三种研墨器的实验比较，我们认为根据方案C设计制作的研墨器更能达到设计预期，能够实现均匀研墨、高效研墨、自动研墨的性能要求。
本发明在观察分析人工研墨特点的基础上，利用仿生学原理设计出一种具有均匀研墨、高效研墨和自动研墨的新器具，对弘扬中华传统文化，提升书画兴趣以及促进文房四宝的产品研发具有一定的作用。其技术上的创新点有以下三点。
（1） 变单墨块研墨为多墨块（群墨）研墨，提高了研墨的工作效率。
（2）在实现关键性的均匀研墨性能要求方面，采取了三种措施：一是让墨块做匀速圆周运动；二是设置球关节增加运动柔性；三是在墨块与砚台之间设置弹簧，形成合力锁，并能对墨块磨损进行补偿。
（3） 采用碰撞式间歇注水，方法简单可靠。
（1） 增加对墨汁浓度的测试。
（2） 进行艺术造型设计，使之成为优雅的书房雅品。
（1） 创新并不神秘，只要我们细致观察身边的事物，并利用所学知识创造性地解决身边存在的问题，就能有所创造，并能在创新过程中体验成长的快乐。
（2） 集体项目的完成，必须依靠集体智慧、相互协作，合理的分工、智力的互补是顺利完成项目的重要保证。
（3） 该发明的顺利完成，离不开隆回县青少年校外教育活动中心创新教育辅导老师的培训，感谢科技辅导老师的精心指导和学校的大力支持，感谢木工师傅和电工师傅为我们提供帮助。
【编者的话】
创新的灵感源于对生活的热爱。小发明者在对身边事物仔细观察的基础上，突破传统，提出创造性解决问题的方法，并依靠科学知识一步一步解决遇到的各种问题，最终完成新型群墨研磨器的发明。该发明不仅解放了人们的手工研墨作业，提高了研墨的效率和质量，还提升了文房家居的品位，让我们的生活变得更加美好。该发明荣获全国青少年科技创新大赛二等奖。
（指导教师 伍冬云 刘春艳
编辑 孙世奇）