眼球式除障外后視鏡

李瑾雯 陳錕

每天上學(xué)，爸爸都會(huì)開車送我們。遇到天氣不好時(shí)，爸爸常會(huì)用毛巾去擦拭左右外后視鏡鏡面，或者搖下車窗把手伸出窗外擦拭外后視鏡鏡面，常常導(dǎo)致衣服被雨水淋濕。我們問爸爸：“您為什么要擦拭外后視鏡鏡面??？”

爸爸告訴我們：“汽車的外后視鏡就像是駕駛員的‘后眼睛，可看見車后左右兩側(cè)路面的情況，為安全行車提供必要的路面信息。如果外后視鏡凝霧、被雨滴遮掩，就像人的眼睛患了白內(nèi)障一樣，駕駛員會(huì)看不清車后兩側(cè)的路面情況，容易發(fā)生交通事故。”

爸爸的話激發(fā)了我們的創(chuàng)新火花：能不能設(shè)計(jì)出一種“不會(huì)患‘白內(nèi)障的外后視鏡”，為駕駛員安全行車提供清晰的車后路面信息呢？有了想法，我們立即行動(dòng)。

一、對現(xiàn)有技術(shù)的分析與基本創(chuàng)新思路

（一）對現(xiàn)有技術(shù)的分析

通過市場走訪、上網(wǎng)查詢等調(diào)研方式，我們發(fā)現(xiàn)針對外后視鏡的防雨霧問題，市場上已出現(xiàn)以下三類產(chǎn)品，現(xiàn)分析比較如下：

1. 電加熱除霧的外后視鏡。電加熱除霧外后視鏡是在外后視鏡中安裝了電加熱裝置，使鏡面溫度高于氣溫，用來防止凝霧或使已凝聚的霧水蒸發(fā)。但它對雨水的作用不大，特別是持續(xù)大雨時(shí)無明顯效果。

2. 外后視鏡專用雨擋。這是一種加裝在外后視鏡上方的擋雨裝置，類似于帽檐，在一定范圍內(nèi)可以擋住一部分雨滴，但不能防止凝霧和驅(qū)霧。

3. 外后視鏡防雨劑。像擦皮鞋油一樣在外后視鏡鏡面上涂一層防雨劑，令玻璃鏡面與空氣隔離，從而達(dá)到防雨霧的效果。然而，我們咨詢的司機(jī)叔叔卻說：用這種防雨劑跟他們涂洗滌劑、肥皂水、洗發(fā)劑等的效果差不多，一遇到雨水沖淋就會(huì)失效，故買了一次就不會(huì)再去買第二次了。

（二）基本創(chuàng)新思路

1. 在不改變現(xiàn)有外后視鏡成像原理、基本功能的前提下，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2. 在不停車、不開窗、不伸手的條件下，實(shí)現(xiàn)在車內(nèi)完成對外后視鏡鏡面的除障工作。

3. 運(yùn)用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)一種模仿眼簾或眼球的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，來保持外后視鏡的鏡面清潔，要求可適時(shí)清除附著在外后視鏡鏡面上的雨霧、灰塵等。

二、方案設(shè)計(jì)與選擇

（一）方案構(gòu)思

我們經(jīng)過反復(fù)琢磨，在老師的指導(dǎo)下，依據(jù)仿生學(xué)原理，想到了兩種方案：第一種是動(dòng)眼簾方案，第二種是動(dòng)眼球方案。

1. 動(dòng)眼簾方案。我們平時(shí)眨眼睛，眼球不動(dòng)，讓眼簾主動(dòng)擦拭眼球，維持眼球的清潔。

如圖1-a、圖1-b所示，在原外后視鏡上，設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)動(dòng)式（方案1）或平移式（方案2）的專用擦拭器，模仿眼簾的運(yùn)動(dòng)來清除外后視鏡鏡面上影響視覺的障礙物，恢復(fù)其正常功能。

2. 動(dòng)眼球方案。我們轉(zhuǎn)動(dòng)眼球，令眼簾不動(dòng)，眼球轉(zhuǎn)動(dòng)接受眼簾擦拭，維持眼球的清潔。

如圖1-c所示，把后視鏡鏡面設(shè)計(jì)成類似眼球的橢球形，擦拭器固定在鏡殼上不動(dòng)（方案3），模仿眼球的運(yùn)動(dòng)來清除外后視鏡鏡面上影響視覺的障礙物，使其恢復(fù)清潔。

（二）方案比較與實(shí)驗(yàn)

1. 方案比較

我們通過反反復(fù)復(fù)分析和紙質(zhì)模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

方案1 鏡面不動(dòng)，擦拭器轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖1-a可見，由于清除面為扇形，矩形鏡面上的陰影區(qū)成為擦拭不到的死角，駕駛員觀察不到陰影區(qū)的信息。而且據(jù)查新，后視鏡加裝轉(zhuǎn)動(dòng)式雨刮已有。所以我們決定放棄此方案。

方案2 鏡面不動(dòng)，擦拭器平動(dòng)。從圖1-b可見，鏡面上雖然沒有擦拭不到的死角了，且查新為0，但其動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)很復(fù)雜，發(fā)生故障的概率可能會(huì)較多，我們只好忍痛割愛淘汰了該方案。

方案3 橢球形鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)，擦拭器不動(dòng)。從圖1-c可見，把后視鏡的凸透鏡設(shè)計(jì)成類似眼球的橢球形，固定式擦拭器可設(shè)計(jì)成與球狀體弧線相吻合的弧形，當(dāng)橢球形鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鏡面固定式弧形擦拭器可與之密切配合，這樣一來，鏡面上沒有擦拭不到的死角，動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也相對簡單，且科技查新結(jié)果為0，這個(gè)方案就成了我們的優(yōu)選方案。

2. 擦拭材料選擇實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要涉及擦拭器的材料選擇，其材料的基本要求：吸水能力強(qiáng)、柔韌性好。

材料實(shí)驗(yàn)：先用備選的毛巾、海綿、PVA合成麂皮巾吸水，再用天平、量筒測量它們的吸水量，并比較判斷它們的柔韌性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PVA水溶性高分子聚合材料的性能介于塑料和橡膠之間，吸水能力強(qiáng)、柔韌性好，可作為擦拭器的首選材料。

3. 除雨霧外后視鏡結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，我們設(shè)計(jì)的“眼球式除障外后視鏡”模型的結(jié)構(gòu)，主要由可轉(zhuǎn)動(dòng)的橢球形鏡面、固定式擦拭器、后視鏡殼體等部分構(gòu)成。

三、模型的制作

（一）材料的選擇與模擬實(shí)驗(yàn)

1. 材料的選擇

①橢球形鏡面材料的選擇

鏡面材料必須符合后視鏡的成像要求。因市場無橢球形鏡面的后視鏡，我們只能找其他材料來制作模型，先后用樟木、工程塑料、玻璃等材料制作鏡體鍍膜，走了一大圈彎路，最后發(fā)現(xiàn)都達(dá)不到鏡面成像要求。后來，我們在地?cái)偵习l(fā)現(xiàn)了一種不銹鋼奶鍋，其橢球體外形和成像清晰度基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求，于是，我們決定用它作為橢球形鏡面的材料。

②電動(dòng)機(jī)的選擇

電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)橢球形鏡面的動(dòng)力。汽車上蓄電池提供的電源是直流12V，市場上的220V交流電動(dòng)機(jī)是不能用的，平時(shí)的電動(dòng)玩具的電動(dòng)機(jī)雖是直流電機(jī)，但功率不夠。我們在老師的指導(dǎo)下，在網(wǎng)上購買了12V的慢速直流電機(jī)來作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

2. 橢球形鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)方案的模擬實(shí)驗(yàn)

①本模擬實(shí)驗(yàn)的主要目的是：檢驗(yàn)PVA材料能否清除轉(zhuǎn)動(dòng)的橢球形鏡面表面附著物。

②實(shí)驗(yàn)設(shè)置與材料：PVA合成麂皮巾、洗衣機(jī)、粉筆灰、噴水壺、衛(wèi)生紙等。

③實(shí)驗(yàn)方法：利用洗衣機(jī)的甩水程序，以洗衣機(jī)內(nèi)壁為鏡面，給洗衣機(jī)內(nèi)壁抹上粉筆灰，噴射上水霧，同時(shí)把PVA合成麂皮巾輕按在內(nèi)壁上，開啟洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，再用衛(wèi)生紙擦拭檢驗(yàn)。

④檢驗(yàn)結(jié)果：洗衣機(jī)內(nèi)壁被PVA材料擦拭處的粉筆灰、水滴均被清除干凈，表面清潔光亮，再用衛(wèi)生紙擦拭被PVA材料擦拭過的地方進(jìn)行檢測，衛(wèi)生紙仍保持干燥無污漬的原狀，這說明PVA材料可清除轉(zhuǎn)動(dòng)的橢球形鏡面附著物。

（二）模型的制作與外觀

在材料準(zhǔn)備齊全的基礎(chǔ)上，我們請五金加工廠的孫師傅和袁師傅，按我們的設(shè)計(jì)圖紙和要求，完成了汽車用“眼球式除障外后視鏡”模型的加工制作。

我們設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)（如圖3）主要由可轉(zhuǎn)動(dòng)的橢球形鏡面、固定式擦拭器、后視鏡鏡殼等部分構(gòu)成。

（三）模型應(yīng)用實(shí)驗(yàn)檢測

模型制作完成后，我們在岳陽市交警支隊(duì)岳陽樓大隊(duì)教導(dǎo)員盧叔叔、岳陽市教科院物理研究員唐叔叔和科學(xué)課李老師等的見證下，進(jìn)行測試和檢驗(yàn)。我們接通電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)橢球形鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)，然后用噴霧器對“眼球式除障外后視鏡”鏡面噴霧。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴射到鏡面上的霧水被擦拭器全部清除干凈（如圖4），不銹鋼鏡面光潔，成像未受影響，用衛(wèi)生紙擦拭檢驗(yàn)，衛(wèi)生紙保持干凈。

雖說手工制作的模型比較粗糙，外觀不夠精美，擦拭器與鏡體的弧度配合未完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本達(dá)到了鏡面清晰無障的設(shè)計(jì)目的，這說明我們的設(shè)計(jì)是具有可行性的。

盧叔叔和唐叔叔評價(jià)說：“你們設(shè)計(jì)的汽車用眼球式除障外后視鏡，可有效地清除附著在鏡面上的霧水，能為行車安全提供相應(yīng)保障，但模型的鏡面材料和外觀設(shè)計(jì)、加工精度等還有待進(jìn)一步完善?！?/p>

四、主要貢獻(xiàn)和改進(jìn)思路

（一）主要貢獻(xiàn)

1. 設(shè)計(jì)了一種可轉(zhuǎn)動(dòng)的橢球形鏡體除霧水、灰塵的外后視鏡。通過轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡體與固定擦拭器的相互作用，遇惡劣氣候時(shí)，可不停車、不搖下車窗、不伸手擦拭鏡面，自動(dòng)完成鏡面的除障工作。

2. 設(shè)計(jì)的擦拭器材料——吸水除塵能力強(qiáng)、柔韌性好的聚乙烯醇（PVA）水溶性高分子聚合物材料，能在惡劣條件下確保鏡面的潔凈度。

3. 設(shè)計(jì)的固定式擦拭器結(jié)構(gòu)，其弧度與橢球形鏡體吻合，且可調(diào)節(jié)擦拭器與鏡面之間的間隙，可拆卸安裝，便于及時(shí)清洗、保養(yǎng)。

（二）進(jìn)一步改進(jìn)思路

1. 本設(shè)計(jì)還可加設(shè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。例如在雨遮上加裝一個(gè)濕度傳感器，當(dāng)傳感器上的濕度達(dá)到影響鏡面視覺時(shí)，通過控制器的識別，自動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，就可達(dá)到全自動(dòng)除障要求了。當(dāng)然，應(yīng)該設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，方便駕駛員按需選用。

2. 本設(shè)計(jì)還可作為“公路彎道安全凸面鏡”（圖5），幫助駕駛員觀察彎道前方的路況信息，減少交通事故。只是要增加太陽能供電系統(tǒng)，為橢球形鏡體的轉(zhuǎn)動(dòng)提供電能。

五、研制體會(huì)

我們在設(shè)計(jì)和研制過程中，學(xué)習(xí)了上網(wǎng)搜尋資料的一些基本方法，感覺到網(wǎng)上的知識真豐富，很多不知道的困惑，在這里都可能會(huì)迎刃而解，比玩游戲要有意思得多。

在市場調(diào)研過程中，我們發(fā)現(xiàn)汽車用的后視鏡品種繁多，在基本功能一樣的前提下，其外觀結(jié)構(gòu)令人眼花繚亂，其輔助功能也花樣百出。由此我們感悟到，創(chuàng)新的空間真大，只要不違背科學(xué)規(guī)律，按人們的需求去認(rèn)真琢磨，大膽設(shè)計(jì)，就可能創(chuàng)造出實(shí)用的新東西來。

我們在觀摩師傅們下料、打孔、焊接等時(shí)，感受到了完成一件創(chuàng)新作品真的要付出很多。設(shè)計(jì)與制作過程中往往會(huì)發(fā)生很多思想碰撞，需要反復(fù)磨合調(diào)整。每一次的失敗，都將為再設(shè)計(jì)提供新的正確方案，如果因?yàn)槟炒问《艞?，那就永遠(yuǎn)體會(huì)不到成功的快樂了。所以，我們認(rèn)為進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造時(shí)，知識固然很重要，毅力和執(zhí)著也同樣重要。人的才干、能力都是在創(chuàng)新實(shí)踐中逐步提高的。

由此，我們將再接再厲，認(rèn)真學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識，積極參與各項(xiàng)有益的實(shí)踐活動(dòng)，不斷提升自己的才干和綜合能力，讓自己能成為對社會(huì)有用的人！

六、鳴謝

在研制過程中，我們得到了學(xué)校校長、科學(xué)老師、學(xué)校聘請的校外科技輔導(dǎo)員、五金加工廠師傅、交警、研究員等長輩們的精心指導(dǎo)和全力幫助，得到了老爸老媽和同學(xué)們的大力支持，在此對他們表示深深的感謝！

（指導(dǎo)教師 李宏亮?編? ? 輯 白 鳥）