可自動裝卸的自定義線路

孟豪澤

摘要：現階段大多數的臨時線路都存在無法彎曲，彎曲后會發生折斷，靈活性差或者彎曲后固定能力差的缺點，同時線路的精確長度較難測定，并且受到線路材料彈性的影響，導致實際鋪設時常出現線路長度不足或過長而產生的材料損耗問題，對生產生活帶來極大不便。為了能夠讓線路克服這些缺點，我研究了一種可自動裝卸的自定義線路，設計出可自動裝卸的臨時模版線路，從而達到裝卸便捷，線路可自定義化的目的，讓線路可以隨意彎曲，并且能夠自行定義增加或者減少線路的長度，減少對材料的浪費，鋪設更加靈活。

關鍵詞：自定義 可裝卸 線路

一、 研究背景及目的

現階段大多數的臨時線路都存在無法彎曲，彎曲后會發生折斷，靈活性差或者彎曲后固定能力差的缺點，同時線路的精確長度較難測定，并且受到線路材料彈性的影響，導致實際鋪設時常出現線路長度不足或過長而產生的材料損耗問題，對生產生活帶來極大不便。基于此類問題，本項目設計了可利用電磁作為引導的拆卸較為便捷的臨時線路，用于各類臨時線路的鋪設和手腳架等臨時結構的裝卸，提高其靈活性、自動化程度以及可自定義性能。

二、研究過程

1.初步設想

生物課上，生物老師講到“微絲、微管的踏車行為”，微絲、微管等細胞骨架可利用極性裝卸實現骨架網絡的構建和調整，所謂“踏車運動”，在體外組裝過程中有時可以見到微絲的正極由于肌動蛋白亞基的不斷添加而延長，而負極則由于肌動蛋白亞基去組裝而縮短，這一現象稱為踏車運動，原理就是微絲、微管可以無線組合延伸，此原理可應用于宏觀的工程設計中。其具有的正端組裝，負端解聚的體系，可用于改良現有的線路搭建體系；家中裝修過程中，需要鋪設線路，經常會因為線路在實際鋪設過程中過長或者過短，導致線路的浪費，還需要重新購買線路，重新鋪設，造成了人、物、財的浪費；從小父母就教育我勤儉節約，晚上做作業時，正好溫習到生物老師將到的“微絲、微管的踏車行為”，我就突發奇想，能不能研究一種能夠通過用戶自行定義長短的線路呢？讓多根線路的端頭相互組合連接，利用“踏車運動”原理，微絲、微管本是兩根在長度方向上側面疊加，并不會增加長度，我突發奇想，讓線路模仿微絲、微管，但是不是長度方向上側面的疊加，而是線路兩端頭相互連接，組合成更長的線路，可以根據需要長短自由組合需要的長度，這樣就避免了浪費。

2.裝置結構

a.線路外部環境中極性的構建：

經過綜合考慮，可以運用磁鐵的極性來模擬細胞中的極性。關于磁鐵的極性構建，主要有以下兩種思路：

1、通過在一定空間內構建勻強磁場模擬：

利用“相隔一定距離的兩個平行放置的線圈在通電時，其中間區域的磁場為勻強磁場”這一理論，在一定區域內構造出勻強磁場。選用磁體類型為電磁體。這一方法可同時構造出多條線性線路。

2、通過構建兩個異極單極磁體模擬

利用“把無數條條形磁體的一極（如N極）集中到一起，會形成一個中間為一極（N極），外部為一極（S極）的磁球，”這一理論來構造單極磁體，并用兩個異極單極磁體來模擬極性。選用磁體類型為永磁體。

b.線路單體極性的構建：

模擬方式與在外部環境中相似，通過磁體兩極來模擬，選用磁體類型為電磁體。

c.電源的設定

1、電源類型：交流電源

2、路端電壓的曲線方程：U=Asin（ωt+φ）+B

（A>B>0，ω>0）

d.線路單體的磁性變化的周期問題

由“路端電壓的曲線方程”可得，電壓波動的周期T=2π/ω。為方便研究，可將φ值定義在（-2π/ω， 2π/ω）區間內。設路端電壓U>0時線路單體（以下簡稱為單體）的N極為C端，S極為D端。則：

當t∈（[arcsin（-B/A）-φ+2kπ]/ω，[π-φ-arcsin（-B-A）+2kπ]/ω） k∈Z時，U>0，此時C端為N極，D端為S極；

當t∈（[-π-φ-arcsin（-B/A）+2kπ]/ω，[arcsin（-B/A）-φ+2kπ]/ω） k∈Z時，U<0，此時C端為S極，D端為N極；

則在一個周期內：

U>0時，Δt1=[π-2arcsin（-B/A）]/ω

U<0時，Δt2=[2arcsin（-B/A）+π]/ω

可得，A-B的值越小，Δt1越大，Δt2越小；當A-B值接近0時，U<0的圖像可蜷縮至近似于一個個不連續的點。在此條件下，一個單體絕大部分時間內C端為N極，D端為S極；而在某些時間點，C端和D端則會分別具有S極和N極的性質。若在此基礎上提高φ值在其定義域內的隨機性，則可使一定區域內任意兩單體在U<0時t的區間出現重疊的幾率降低到接近于0，從而使一定區域內任意兩單體的C端（或D端）在大部分時間內具有相同極性，而在某些時間點內具有相異的極性。

3.方案的改進

此設定可保證線路中的單體具有一定的穩定性，同時也賦予了裝置較大的隨機性，從而得以實現組裝、拆解雙向的自動化。為實現雙向自動化，單靠電壓的設定是不夠的，還應在機械設計上加以改良。因此需要設計一個機械扣鎖。

線管-1；單極磁體N極-2；單極磁體S極-3；扣鎖槽-4；扣鎖扣-5；霍爾元件-6；單極磁體N極帽子-7；單極磁體S極帽子-8，屏蔽層-9。

扣鎖槽為一單極磁體的N極，即線管D端；扣鎖扣為另一單極磁體的S極，即線管C端。一個線管兩端均設置扣鎖，線管C端設置扣鎖扣，線管D端設置扣鎖槽，扣鎖槽等分為四瓣，每個扣鎖槽都由聯動裝置連接，這種聯動裝置可以為電推桿推動扣鎖槽沿線管徑向移動，每個線路上的扣鎖槽對應單極磁體的相斥或者相吸，使扣鎖槽同步打開或者閉合，當單極磁體相吸時，扣鎖槽閉合，對應扣鎖扣能夠插入扣鎖槽中，實現鎖定，當單極磁體相斥時，扣鎖槽打開，對應扣鎖扣能夠從扣鎖槽中脫離，實現線路斷開，在上述基礎上提高φ值在其定義域內的隨機性，A-B的值越小，Δt1越大，Δt2越小；當A-B值接近0時，U<0的圖像可蜷縮至近似于一個個不連續的點。在此條件下，一個單體絕大部分時間內C端為N極，D端為S極，從而使線管相吸；則可使一定區域內任意兩單體在U<0時t的區間出現重疊的幾率降低到接近于0，從而使一定區域內任意兩單體的C端（或D端）在大部分時間內具有相同極性，從而使線管相斥。由于單極磁體的磁感線是呈輻射狀的，在線路的磁體內外設置屏蔽管，防止磁感線對線路造成影響。

4.操作方法

將扣鎖進行鎖定，通過單極磁體將兩段線路吸引，通過屏蔽層將單極磁體的磁感線進行屏蔽，使線路能夠自定義設定長短，結合前文所述的電壓，可達到裝卸雙向自動化的要求。

可將線路分為兩類：

1、線性線路：利用勻強磁場構建的線路，能夠建造出標準的直線線路。

2、非線性線路（自定義線路）：利用兩個單極磁體構建線路，可將N極單極磁體作為固定端，將S極單極磁體作為一支“筆”，按照預先設定的路徑在一定區域內移動其間將單體鋪設在路徑上。此方法可構建出任意連續的非線性線路。此方式需要求單體主體的結構材料能在短時間內具有一定的可塑性，并在之后能夠有較強的穩定性，不易變形。

為實現自動裝卸，還要再設計一個帽子結構。分為N極帽子和S極帽子：

1、S極帽子：

在S級加一個帽子，可以阻止S極的解聚，從而使線路延長。

2、N極帽子：

在N極加一個帽子，可以阻止N極的組裝，從而使線路縮短。

三、結論

本項目研制的可自動裝卸的自定義線路，利用“微絲、微管的踏車行為”，讓線路模仿微絲、微管，但是不是長度方向上側面的疊加，而是線路兩端頭相互連接，組合成更長的線路，可以根據需要長短自由組合需要的長度，能夠實現線路自動組裝和解聚功能，能夠自行定義增加或者減少線路的長度，減少對材料的浪費，鋪設更加靈活，希望以后我發明的可自動裝卸的自定義線路能夠普及，這樣就能讓更多的家庭減少線路的浪費，為祖國節約資源，同時保護了環境。

參考文獻

[1]邢艷麗 .李靜 .耿美玉，《細胞遷移中微絲微管的變化及其信號轉導通路研究進展》，現代生物醫學進展，2007.07