北京天文館“宇宙燈塔”展項的創(chuàng)新設(shè)計與研發(fā)

苗軍 景海榮 趙開羿 馬勁 王菁 楊冰

摘 要 北京天文館的“宇宙燈塔”展項以獨特的外部燈塔造型、動態(tài)呈現(xiàn)的脈沖星結(jié)構(gòu)模型以及創(chuàng)意的互動模式使得其兼具科學(xué)性和藝術(shù)性。通過介紹該展項在選題立意、呈現(xiàn)形式、交互方式、傳播理念等方面的創(chuàng)新性，希望為國內(nèi)科技類博物館互動展項的設(shè)計研發(fā)提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞 宇宙燈塔 展項研發(fā) 脈沖星 天文館

0 引言

科技類博物館中的互動展項因可參與度高、趣味性強和知識點新穎而備受青少年觀眾喜愛。然而近些年，各館的同質(zhì)化問題嚴(yán)重，其重要原因之一就是展項的設(shè)計研發(fā)難度較大，特別是天文學(xué)領(lǐng)域，許多復(fù)雜的概念難以直觀呈現(xiàn)。

作為世界上首個用于科普場館互動展示的大型脈沖星主題展項，北京天文館“宇宙探秘”展區(qū)的“宇宙燈塔”展項力求充分利用挑高的展廳環(huán)境，在表現(xiàn)形式和交互設(shè)計等各個方面都有所創(chuàng)新。如圖1所示，研發(fā)團(tuán)隊由展覽專家、科學(xué)專家、藝術(shù)專家、工程專家等共計二十余人組成，歷時一年多的創(chuàng)意構(gòu)思、深化設(shè)計和建筑施工，克服了一系列技術(shù)難題。

1 全新的選題立意

目前，我國科技類博物館中天文題材的展項，其設(shè)計靈感多源于太陽系內(nèi)的天體，比如月球儀、三球儀、天體秤等。為了在展項主題上有所創(chuàng)新，在設(shè)計之初研發(fā)團(tuán)隊就將目光鎖定在太陽系之外，以宇宙學(xué)的相關(guān)概念為突破口，最終確定以脈沖星作為主題來設(shè)計展項。

脈沖星又稱波霎，作為中子星的一種，因周期性發(fā)射脈沖信號而得名，是宇宙中一類特殊的天體。脈沖星自1967年首次被發(fā)現(xiàn)起，始終得到極大關(guān)注，相關(guān)研究曾于1974年和1993年兩次斬獲諾貝爾物理學(xué)獎，是當(dāng)下天文學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一。

2 靜態(tài)呈現(xiàn)形式的創(chuàng)新設(shè)計

2.1 外部燈塔造型的創(chuàng)意實現(xiàn)

展項的外觀造型應(yīng)滿足其功能實現(xiàn)，符合現(xiàn)有展廳空間的特征，具有一定的視覺沖擊力，且與主題相關(guān)。在天文館，球形展項比比皆是，故在設(shè)計初期即放棄了球體造型的設(shè)想。研發(fā)團(tuán)隊通過列舉脈沖星的相關(guān)知識點來挖掘信息、尋找靈感：（1）球形外觀，體積很??；（2）質(zhì)量是太陽的1～2倍；（3）密度極大，與原子核相當(dāng)；（4）表面磁場極強；（5）表面引力極大；（6）持續(xù)發(fā)出電磁輻射；（7）自轉(zhuǎn)速度非常快；（8）自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定，精準(zhǔn)度極高；（9）以電磁輻射的形式向宇宙空間釋放能量，發(fā)出周期性脈沖信號；（10）X射線脈沖星對星際飛行器導(dǎo)航具有重要意義；（11）分為正常脈沖星與毫秒脈沖星；（12）脈沖星的形成與演化；（13）脈沖星的發(fā)現(xiàn)歷史；（14）脈沖星的命名規(guī)則；（15）著名脈沖星；（16）脈沖星的空間分布；（17）可以借助射電望遠(yuǎn)鏡探測脈沖星。[1-6]

依據(jù)“脈沖星：宇宙航行的燈塔”的比喻[7-8]，我們計劃以燈塔為外觀造型的設(shè)計來源（見圖2）。燈塔是處于航道關(guān)鍵位置的一種塔狀發(fā)光建筑，其基本作用是引導(dǎo)船舶航行。脈沖星的快速自轉(zhuǎn)及其自轉(zhuǎn)軸與磁軸往往不重合的特征，使得它就像是宇宙中的一座旋轉(zhuǎn)的“燈塔”，周期性掃過周圍的宇宙空間。由于觀眾對燈塔這個事物相對熟悉，其“航標(biāo)”的功能與脈沖星的特征十分契合，故展項取名“宇宙燈塔”，以實物化方式直觀呈現(xiàn)科學(xué)概念。

2.2 內(nèi)部核心功能組件的科學(xué)實現(xiàn)

確定外部燈塔造型后，研發(fā)團(tuán)隊開始進(jìn)行內(nèi)部核心功能組件的深化設(shè)計工作，著眼于脈沖星的相關(guān)知識點，梳理其中相對典型的特征。按照布盧姆的知識分類體系[9]，（1）～（7）屬于事實性知識，（8）～（17）屬于概念性知識。相對于概念性知識，事實性知識更容易被觀眾理解和認(rèn)知。如圖3所示，研發(fā)團(tuán)隊決定以輻射束作為展示的重點，并輔以中子星本體、磁場、自轉(zhuǎn)軸等加以完善，形成脈沖星的結(jié)構(gòu)模型。

2.3 內(nèi)部核心功能組件的深化設(shè)計

（1）輻射束

將輻射束以6根硬質(zhì)空心方形鋼管組成的圓錐形來表示。為了最大限度地利用“燈塔”的內(nèi)部空間，研發(fā)團(tuán)隊將輻射束的長度設(shè)計為單邊2.5 m，總長約5 m，與高大的外部構(gòu)造和諧統(tǒng)一。

魏丁丁等[10]的研究結(jié)果表明，大約83%的脈沖星，其輻射束半徑（圓錐的張角）的值分布在10°以下。如圖4所示，展項的輻射束張角為7.4°，自轉(zhuǎn)周期是0.11 s，取值合理。

喬國俊等[11]的研究結(jié)果表明，磁傾角小于16°的脈沖星約占80%，而磁傾角超過34°的脈沖星則不到2%。如圖5所示，展項最終將磁傾角確定為33°，在不違背科學(xué)的前提下，滿足了視覺效果的需要。

（2）中子星

中子星用304鏡面不銹鋼材質(zhì)軋制成直徑30 cm的空心球體來表示，其科學(xué)依據(jù)主要基于以下兩個方面。

a.中子星的體積相比其他恒星小得多。典型中子星的直徑約為20 km，而太陽的直徑則約為1.4×106 km，二者相差近70 000倍；即便與地球相比，二者也相差超過600倍。基于工程結(jié)構(gòu)的限制，中子星的球體在展項中最小直徑為30 cm。按照觀展位置測算，中子星的視大小僅為4°左右（見圖6），可以傳遞出其“個頭小”的信息。

b.鏡面不銹鋼材質(zhì)可以表現(xiàn)出中子星表面光滑的特點。中子星是一種致密天體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由中子組成。一顆直徑20 km的中子星的質(zhì)量相當(dāng)于1～2個太陽，密度大得驚人，這導(dǎo)致中子星表面的引力極大，因而十分光滑[12]。

（3）磁力線

磁力線由10根直徑1 cm的鋼條組成，著以漸變色彩，增強其藝術(shù)效果。

（4）自轉(zhuǎn)軸

自轉(zhuǎn)軸的外徑為5 cm，著色為亞光灰，與展項底部的機械裝置罩、頂部的圈梁等顏色保持一致。通過對自轉(zhuǎn)軸粗細(xì)和顏色的弱化處理，使得展項主次分明、焦點突出。

至此，“宇宙燈塔”展項的靜態(tài)呈現(xiàn)形式已初現(xiàn)端倪（見圖7）：高大的外部燈塔造型，具有氛圍營造和景觀創(chuàng)造的雙重功能；內(nèi)部核心功能組件——輻射束、中子星、磁力線、自轉(zhuǎn)軸則闡釋了脈沖星的核心知識點。二者在體量造型、藝術(shù)搭配等方面都非常協(xié)調(diào)，猶如天文知識海洋中一座燈塔。

3 動態(tài)呈現(xiàn)形式的創(chuàng)新設(shè)計

3.1 脈沖星輻射過程的科學(xué)實現(xiàn)

不間斷發(fā)出電磁輻射是脈沖星的重要特征之一。研發(fā)團(tuán)隊致力于讓“輻射”的過程能動態(tài)呈現(xiàn)出來，特別選用了分布密集的燈帶（60顆燈珠/m），將其捆綁在代表輻射束的方形鋼管上。隨著脈沖星的自轉(zhuǎn)，電磁輻射從磁極附近持續(xù)發(fā)出。為了讓觀眾看得更加清楚，且感受到其速度之快，研發(fā)團(tuán)隊借由控制器讓燈帶模擬出“光束移動”的效果。同時，通過設(shè)置“七彩追光”、“紅藍(lán)壓光”等多種色彩組合方案，避免了視覺效果的單一性。

3.2 脈沖星快速自轉(zhuǎn)的技術(shù)實現(xiàn)

快速自轉(zhuǎn)是脈沖星的重要特征之一。中子星本體連同輻射束、磁力線在展廳里“轉(zhuǎn)起來”，可最大限度地還原這一真實情形。研發(fā)團(tuán)隊經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)測試及觀展體驗評估后發(fā)現(xiàn)，2～6 r/min是可以接受的轉(zhuǎn)速范圍。為降低后期的維護(hù)成本，選取德國產(chǎn)電機與集電環(huán)，最終實現(xiàn)了預(yù)期效果。

4 交互方式的創(chuàng)新設(shè)計

“宇宙燈塔”展項還具備與觀眾互動的功能。最初的交互方案為觀眾可直接控制設(shè)備的旋轉(zhuǎn)與停止，以及燈帶的發(fā)光及熄滅。這并不難實現(xiàn)，但也帶來新的問題：一旦展項停止旋轉(zhuǎn)、燈帶熄滅后，對觀眾的吸引力就會大大下降。因此，研發(fā)團(tuán)隊賦予了“脈沖星”兩種旋轉(zhuǎn)速度（2 r/min、5 r/min），觀眾通過簡單的終端觸屏操作，即可控制展項的運動形態(tài)，實現(xiàn)兩種模式間的切換。

在脈沖星周而復(fù)始旋轉(zhuǎn)的啟發(fā)下，研發(fā)團(tuán)隊產(chǎn)生了一個大膽且極具創(chuàng)意的想法。每當(dāng)輻射束燈帶掃過地球模型，即代表脈沖星信號掃過地球一次，此時操控界面上會出現(xiàn)“監(jiān)測到脈沖信號”，提示觀眾進(jìn)入交互界面。為了引導(dǎo)觀眾學(xué)習(xí)脈沖星的相關(guān)知識，也出于對設(shè)備耐用性的考慮，研發(fā)團(tuán)隊設(shè)置了一道“門檻”，要求觀眾通過答題闖關(guān)后方可觀看展項特效。在一套與脈沖星相關(guān)的題庫中，每次隨機抽出3道題目，觀眾答對其中的2道就可以獲得切換的機會。答題時長為25 s，并設(shè)有倒計時提醒，這避免了個別觀眾的長時間“占有”，使更多觀眾能參與進(jìn)來。答題成功后，展項隨即在3 s內(nèi)進(jìn)入快速旋轉(zhuǎn)模式，持續(xù)轉(zhuǎn)動兩圈之后，又恢復(fù)為默認(rèn)的慢速旋轉(zhuǎn)模式。

如圖8所示，“宇宙燈塔”展項的操控臺設(shè)計形式簡約，與展項造型融為一體。同時，操控臺本身也是一個簡易的信息查詢系統(tǒng)，可供觀眾自行查閱脈沖星的相關(guān)知識。

5 傳播理念的創(chuàng)新設(shè)計

正值中國大型天文設(shè)施“天眼”FAST射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)落成之際，“宇宙燈塔”展項緊扣社會熱點，創(chuàng)新性地加入了“已確認(rèn)的脈沖星數(shù)量”實時展示板塊，并在展項啟用后每月更新，從而保證觀眾及時獲悉研究動態(tài)。這在一定程度上使得展項不再一成不變，保持新鮮度，體現(xiàn)時效性。

6 結(jié)語

本文較為詳細(xì)地介紹了北京天文館“宇宙燈塔”展項自立意至完成的研發(fā)過程，涵蓋呈現(xiàn)形式、技術(shù)手段、交互方式等主要環(huán)節(jié)。前期，廣泛調(diào)研國內(nèi)外博物館，查閱大量文獻(xiàn)資料，獲取創(chuàng)意靈感；中期，嚴(yán)格秉承科學(xué)性的原則，并兼顧藝術(shù)性，以天文視角為出發(fā)點，把握科普場館的功能定位，結(jié)合當(dāng)下互動展項的最新展示理念；后期，沖破層層難關(guān)，將深化設(shè)計逐一進(jìn)行技術(shù)實現(xiàn)，并邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家團(tuán)隊嚴(yán)格把關(guān)，保證了展項的創(chuàng)新性及高標(biāo)準(zhǔn)。

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