【2021仿生冬令营回顾】仿生AI手臂完美落幕仿生鸟即将翱翔

利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新型技术的仿生智能，率先开启国内仿生学营地课程新格局。

活动目的在于锻炼青少年对科技知识的领略，让青少年在深层次面上去接触、运用、掌握，在仿生高端领域的一系列培养中提升自身对科学嗅觉，接受能力、发掘青少年的潜力。

经过长时间的复课申请，相关部门报备，核酸检测，全面消毒，分组活动等一系列环节的准备，仿生机器人冬令营终于开营了！

仿生学是什么？

所谓仿生学就是模仿生物特征本领，利用生物结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术。

而仿生课程，是优化了人对人工智能理论的科研成果，逐步走向仿生自动化控制、创客为一体的活动项目。从控制论方向去理解，动物与机器之间有一定的共体，也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律。并且采用物理学的、数学、机构学、自主控制技术、信息传感技术综合运用对生物系统开展的进一步的研究。

教授博士组建实力阵容

国内自主研发课程

由北航博士研发团队领衔，北大教授全程参与研发并授课，汇集来自中国科学院、清华大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北京邮电大学和北京师范大学等高校的博士研究生，通过机械手的仿生学教程，将人体关节与机械结构进行结合，通过实际案例开拓学生的思维和知识面，为后续仿生结构的拓展打开思路，引导孩子去对基本结构结合现实认识重新定义。在工程上实现接近于真实动物的运动性，切合实际原理利用3D建模进行自主设计。

通过整个机械手三维模型的建模及相关知识的讲解，使得学生初步了解机械的基本概念和知识，激发对日常生活中常见机械结构的思考，熟悉工作原理，并通过手绘或建模软件进行建模，加深理解，不断积累知识点，后续可激发学生创新能力。

仿真机械手可以看做是一个智能化的典型控制案列，通过体感感知机械手的整个控制过程的讲解，使得学生了解该控制流程。从传感器的基本选型、控制信号的传输、stm32开发板编程的学习、控制逻辑的实现、汇编语言的讲解，使得学生提前了解课本之外的知识。使得其在后续的求学生涯中，拥有超越同龄人的知识库。

通过教学充分激发学生的创新思维，该年龄段学生思维较为发散，不易受固定思维模式的影响。通过教学对其知识面进行拓展的基础上，激发起创新思维模式，通过发散性思维得到新型的结构，并生成相应的专利，为后续大学及科研生活的成果转化及保护提前奠定基础。

DAY1 仿生学理论知识+结构引入-爬虫机器人

第一天的入营仪式，小伙伴们在老师的带领下，完成了破冰仪式，顺利投入新的学习氛围中，没有参加本次仿生营的小伙伴，是不是很好奇他们都学习了什么？跟着小编一起去看看吧：

一、仿生学的起源：

讲解了从上古时代，人类文明程度低，对很多的自然现象难以解释，天为什么打雷，为什么下雨？引出并讲解人类和自然地关系是生存—自卫—竞争；举例人类建造房屋、制造狩猎工具、狩猎的方法、等无意识状态下进行的仿生现象。

讲解了从工业时代，人与自然地关系就变成了：观察—灵感—模仿的原因；人们受到自然界生物体精巧结构和优异功能的启发，而获得大量的灵感，从而进行了有意识的发明和创造，并逐一举例蜂巢式宾馆、模仿海豚发明潜艇表面结构等。

讲解信息时代人与自然的关系分析—启示—设计的原因，模仿人的运算发明计算机、模仿生物的信息传感、仿生传感器研究的目标等信息时代的仿生学现象内容。

讲解人类进入知识时代，人与自然的关系是：模仿—制造—创新并进行解释，这个时期人类想要超越自然、改变自然的现实做法，模仿生命的微观结构与功能、模仿生命的遗传与发育、模仿人脑的认知的案例分析。

二、仿生学的诞生

从美国的航空航天局召开了一届仿生学讨论会，作为仿生学诞生的标志开始，讲解仿生学的标志，符号的部分组成，仿生学两个层面的理解：技术层面与机械范畴

了解生物与呈现形式个体、组、群并举例。

三、仿生学与科技创新的关系

科学与技术的创新的具体理解，什么是科学？什么是技术？

观看仿生学的研究成果对人类的生活起到了重要的作用的案例并进行分析

案例一：鲨鱼与鲨鱼皮

案例二：蛋白质晶体结构与贝壳陶瓷

案例三：昆虫与微型飞行器

案例四：蜘蛛网与强韧性蛋白纤维

案例五：荷叶与自清洁效应的应用

除此之外，小伙伴们还进行了爬虫机器人的动手创意制作，主要是与第二天的课程运动仿真，运动结构做铺垫，在第二天进行结构复盘，并且使用手钻、热熔胶枪等工具，侧面观察学生的动手和协作能力，根据动手能力情况进行分组。

DAY 2 学习与观察的累积 理论与实践的结合

第一天的学习，让小伙伴们对于接下来的课程充满期待，第二天，迎来了真正的挑战！小伙伴们正式投入PBL项目式学习中，进行小组研究与实践，在这一天，他们学习到了：

一、仿生学与课题的联系及研究背景

今天展开的学习内容主要是有两部分，人手部结构组成，关节命名、类型与自由度的学习和判断+手指运动相关的机械原理知识。

首先通过BBC感受人手部构造的复杂，人手部骨骼结构组成由三指骨、掌骨、腕骨组成，并对每个指节进行了细致的讲解和分析，各指节间的关节与引出的关节类型分为了，滑车、鞍状、球窝关节并辅助讲解关节自由度，并根据对手部结构的学习结合对机械手从功能、结构、材质与辅助反馈等方面去做工程草图的绘制，利用特别常见的材料并通过简单的加工，还原模拟手指真正的运动方式引出后面的运动原理；

后面讲解运动原理，从什么是机械、机构与机器的关系，通过一些生活中的案例了解机构与机器，从运动角度展开研究机构，从构件—运动副—运动链—机构—连杆机构、铰链四杆机构等，并对各连杆机构的结构和运动状态进行了分析，并解释一些生活案例，最后利用积木结构还原连杆机构的结合。

DAY 3 3D打印技术+三维建模软件

烧脑又精彩的课程还在继续，第三天小伙伴们迎来了更有难度的挑战！

一、使用123D design软件建模进阶，通过基本几何体与放置快捷方式完成雪人模型建模，再通过马克杯、奖杯、乌鸦、桥梁模型案例学习布尔运算相交、抽壳功能，立方体倒圆角与斜角功能，轴中心对称、吸附功能，扫掠、几何体环形阵列功能；

二、3D打印技术的起源、发展和展望

3D打印的技术原理介绍：FDM熔融堆积、光聚合成型的光固化（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、三维打印（3DP）、层压板制造（LOM）等。

3D打印的工作流程：三维建模-软件切片-3D打印-模型处理-喷漆上色。

三、维建模软件：

1) 三维建模软件的介绍

2) 123D软件的使用

3) Solidworks软件介绍

4) 123D软件实训：绘制奖杯-绘制水杯-绘制手关节

DAY 4烧脑继续 挑战升级

第四天的学习引来了白热化：

一、学习和认识嵌入式系统，了解嵌入式系统的原理和构成，结合生活实际，认识到嵌入式系统的广泛存在和丰富应用。了解到嵌入式系统与通用系统的区别。

二、学习和回顾mind＋软件，学习图形化编程的原理以及实际操作，通过完成走迷宫例程，巩固mind＋操作和理解。

三、学习mixly编程软件的使用，通过学习和了解流水灯模块，自主完成彩灯程序的编写，实际运用图形化编程解决问题。学习舵机的运动原理，了解电动机的结构和原理，通过扩展板驱动舵机，考虑如何利用编程工具解决实际问题。

四、安装机械手臂

1. 安装手指连杆结构

2. 接线多个舵机到单片机，

3. 编写舵机归中程序，设置为90度

4. 利用变量扫描，精简程序

5. 测试手指极限位置，编写舵机控制程序，利用变量加减寄存舵机度数

6.舵机的控制原理，舵机信号的使用方式

DAY 5设计思维融会贯通 打通编程新思路

一、带领学生学习设计思维的工作流程和原理，实际体验设计思维的各个步骤，构思自己的想法，在实践中了解设计思维的意义。

二、学习电子学基础，了解电压电阻电流的概念，学习电子元器件的相关知识，通过讨论了解用电安全。

三、了解编程思维相关知识，认识程序的三种基本结构；了解舵机原理及用途；编程控制舵机初始化归中，搭建舵机带动手指的连杆结构；了解舵机驱动板的作用，了解库的概念，会在mixly中导入第三方库并使用；编写图形化程序控制舵机的自主转动；会编写选择结构程序和变量程序，完成使用手柄遥控舵机角度的增大和减小；调试机械手手指极限位置舵机的角度，记录数据并会分析数据有何特点。

四、学习传感器相关知识，了解典型传感器的工作原理和流程，结合电子学内容，认识传感器。

在这个仿生课程的学习中，我们的专家导师团队对所有的学员进行了专业知识的全方位辅导，站在孩子的角度深入研究，如何让孩子对课讲知识内容理解并掌握，针对课讲内容有针对性的记忆记录，含盖知识重难点，简要全面的加深孩子的掌握程度，以高精度的知识点内容去围绕讲解、解析，让孩子在容易接受理解的层面上，多维度掌握。

在老师的带领下学员们除了自己的工程日志和创作以外，还能观察到我们同样在总部的博士团队成员的研发过程，实现教学一体化，以孩子的视角去观察、学习并改进。

DAY 6为完美做完仿生手臂做最后的学习准备

一、讲解遥控器的工作原理，介绍典型的遥控方式和遥控器种类。

二、继续优化程序，在函数的基础上，让程序运行更加合理流畅。通过实际观察和调试，找出程序中不合逻辑的地方，并对程序进行改动和优化。

DAY 7工程日志全记录 PPT验证教育视角

经过七天的学习，小伙伴们不仅做出了仿生手臂，还小组一起准备了介绍PPT为家长讲解成果！

一、讲解专利的种类，详细信息和申请规则。讲解专利申请文书的撰写方式。结合实际专利普及专利知识。

二、完成仿生手臂参数的进一步调解。

三、结营仪式展示成果。

知识产权保护！

对学员通过自己的观察发明制作出的仿生鱼，我们正式纳入专利性知识产权，让孩子动手发明创造的作品得到国家法律的保护，发明专利将会伴随孩子一生的时间，会对孩子以后升学中有多项国家政策的支持，同时对出国留学同样起到重要的作用，严格意义上来讲，专利可能会改变孩子的一生。