基于仿生原理設(shè)計(jì)的群墨研磨器

本文格式為Word版，下載可任意編輯——基于仿生原理設(shè)計(jì)的群墨研磨器

肖軼杰的爺爺多才多藝，酷好書法，幾乎每日寫字作畫。肖爺爺書寫時(shí)，更加熱愛讓肖軼杰在旁邊研墨，家里人打趣稱軼杰是爺爺?shù)男?。有一次，肖軼杰因作業(yè)多，見爺爺不在，就把買來的墨汁倒入硯臺想蒙混過關(guān)。爺爺打定寫字時(shí)，望了一眼硯臺，又聞了聞墨汁，然后問：“軼杰，你研的墨呢？”淘氣的軼杰說：“墨研好在硯臺里呢！”爺爺臉色肅穆起來，說：“這哪是研的墨呀，咱家研墨用的水還加了綠茶的呢，那股幽香在書房門口都能聞到?！陛W杰立馬照實(shí)交代，并問爺爺：“為什么您書寫確定要研墨而不用現(xiàn)成的墨汁呢？”爺爺說了一大堆研墨書寫的好處，如研的墨運(yùn)筆時(shí)更流暢，寫出的顏色更美麗，作品存放越久越美麗，研的墨對紙張適應(yīng)程度更高，書寫時(shí)變化更大等。可是研墨不僅要花費(fèi)時(shí)間，研磨久了手會累得發(fā)酸，而且一不提防還輕易弄臟衣服和手。

在學(xué)校組織的課外研發(fā)創(chuàng)造活動(dòng)中，我們幾個(gè)興趣一致的同學(xué)湊到一塊想課題，想來想去，終究從肖軼杰給爺爺研墨的故事中獲得了創(chuàng)意：能否研發(fā)一款用機(jī)械代替人工研墨的器具呢？我們將想法報(bào)告了青少年創(chuàng)新工作室的老師，得到了指導(dǎo)老師的認(rèn)可，并要求我們留心查看用手研墨的運(yùn)動(dòng)，在此根基上舉行創(chuàng)新斟酌。在進(jìn)一步的斟酌中，我們對用機(jī)械模仿人工研墨時(shí)的手腕運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了興趣，于是形成了《基于仿生原理設(shè)計(jì)的群墨研磨器》的研發(fā)創(chuàng)造課題。

本研發(fā)研究與設(shè)計(jì)的目的，是對研墨機(jī)理分析的根基上，應(yīng)用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)一種具有平勻研墨、高效研墨和自動(dòng)研墨的器具。本研發(fā)的意義在于以下幾點(diǎn)。

（1）本研發(fā)使傳統(tǒng)的硯臺布局形態(tài)和使用方式發(fā)生了前所未有的變革，能夠給“文房四寶”家族中添加一個(gè)新成員，對“文房四寶”的產(chǎn)品研發(fā)具有確定的啟示作用。

（2）新型群墨研磨器的使用不僅解放了人們的手工研墨作業(yè)，提高了研墨的效率和質(zhì)量，而且對提升人們對中華傳統(tǒng)書畫文化的興趣具有確定的促進(jìn)作用。

（3）培養(yǎng)我們從小查看身邊事物、勤于斟酌、喜歡創(chuàng)新的習(xí)慣。

設(shè)計(jì)具有平勻研墨、高效研墨和自動(dòng)研墨特性的研墨器，務(wù)必建立在對研墨機(jī)理分析研究的根基上。

用墨在硯臺中研制墨汁，看起來是一件特別簡樸的事情，但簡樸的事情中也包含有確定的學(xué)問。了解其中的機(jī)理，對于指導(dǎo)新型研墨器的設(shè)計(jì)具有重要的作用。

經(jīng)過留心查看與專心分析，我們了解到研墨是一個(gè)系統(tǒng)過程。它包括四個(gè)組成要素：墨塊、硯臺、水和磨墨力。其中，墨塊是產(chǎn)生墨汁的材料；硯臺是研墨和儲汁的器具；水是將墨粒轉(zhuǎn)化為墨汁的根本介質(zhì)；在人工研墨時(shí)，要用手指夾持墨塊，并施加確定的壓力，與此同時(shí)，手臂帶動(dòng)手腕做圓周運(yùn)動(dòng)，在墨塊與硯臺接觸處的摩擦力是產(chǎn)生墨汁的有效作用力，即所謂的研墨力。

從機(jī)理上說，研墨過程是通過墨塊與硯臺之間的摩擦力作用，使墨粒逐步與墨塊分開并與水融合而獲得墨汁的過程。鮮明，摩擦力是抉擇研墨效果和效率的重要因素。

從科學(xué)書及科學(xué)書教學(xué)參考資料可知，摩擦力的大小取抉擇于正壓力的大小和摩擦面的粗糙程度。其中，正壓力的大小取決于人的施力，光滑與粗糙程度那么與墨塊與硯臺的質(zhì)地相關(guān)。

采用墨塊與硯臺獲得的墨汁，務(wù)必得志書畫所需要的濃度和平勻度，這取決于水與墨的比例和研磨時(shí)間。

設(shè)計(jì)方案是將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為作品的創(chuàng)造性斟酌過程。從總體上說，本研發(fā)的設(shè)計(jì)思路有以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)?shù)弥酒絼蜓心?、高效研墨和自?dòng)研墨的特性要求。

（2）設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)以下功能要求：

持墨功能——夾持墨塊（條）；

運(yùn)動(dòng)功能——產(chǎn)生研墨運(yùn)動(dòng)；

調(diào)理功能——自動(dòng)調(diào)理墨塊磨損；

注水功能——自動(dòng)向摩擦面注水。

（3）模仿人工研墨中的肢體運(yùn)動(dòng)，舉行仿生設(shè)計(jì)。如：

持墨功能——可以模仿手指夾持墨條設(shè)計(jì)；

運(yùn)動(dòng)功能——可以模仿手臂手腕運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)；

調(diào)理功能——可以用彈簧力代替手對墨塊的壓力；

注水功能——可以借鑒用手指壓海綿出水的注水方式。

通過議論，我們先后形成了三個(gè)設(shè)計(jì)方案。

方案A和方案B，均由電動(dòng)機(jī)、硯臺、墨塊夾頭、彈簧、支座、注水頭六片面組成。這兩種方案的布局簡樸，但方案A有一個(gè)缺點(diǎn)，就是研墨平勻性差、效率低。方案B是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)硯臺轉(zhuǎn)動(dòng)而墨塊不動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)研磨墨功能的，鮮明，只有中斷研墨后才好蘸墨書寫。

方案C由電動(dòng)機(jī)、硯臺、墨塊夾頭、彈簧、支座、注水頭和鉸鏈組成。此方案的特點(diǎn)是采用多個(gè)墨塊平勻分布在圓周上，墨塊轉(zhuǎn)動(dòng)，硯臺不動(dòng)。傳動(dòng)中增加了球鉸鏈（球關(guān)節(jié)），可以生動(dòng)地模仿手腕的運(yùn)動(dòng)。

無論哪種方案，都要有磨墨頭。磨墨頭由夾頭、墨塊、彈簧、套筒組成，使用時(shí)，將墨塊插入套筒中，與彈簧接觸，彈簧裝入套筒的圓孔中，使墨塊在研墨過程中始終與硯臺外觀接觸，以保證研墨必要的摩擦力。

在加水器設(shè)計(jì)方面，可以有多種方案，如下圖所示的活塞式手動(dòng)間歇加水和碰撞式自動(dòng)間歇加水。

根據(jù)方案A制作的研墨器，采用硯臺轉(zhuǎn)動(dòng)，墨條不動(dòng)的研墨方式。它由驅(qū)動(dòng)片面（電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）、硯臺、墨塊夾（夾頭、彈簧、攻絲墨套、螺帽）、支座、注水頭組成。

在制作該作品的過程中，涉及電子技術(shù)的應(yīng)用。我們使用的電子元件是從電器修理店獲得的。為了實(shí)現(xiàn)低壓安好研墨，我們將220伏電源通過變壓器變成9伏電源；通過四個(gè)二極管整流成9伏直流電。采用9伏直流電動(dòng)機(jī)，通過變速器獲得研墨所需要的轉(zhuǎn)速。研墨時(shí)，用彈簧固定的墨塊貼在硯臺里邊，帶動(dòng)硯臺勻速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)研墨功能。

通過測驗(yàn)察覺，這樣設(shè)計(jì)的研墨器是能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械研墨的，但由于是硯臺轉(zhuǎn)動(dòng)，務(wù)必在中斷磨墨之后才便當(dāng)蘸墨寫字作畫。

根據(jù)方案B制作的研墨器，硯臺不動(dòng)，通過墨條轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)研墨。它由底座、支架、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)片面、臺板（能固定活塞加水儲墨裝置）、手動(dòng)間歇活塞加水器、儲墨器、臥式筆架臺和筆架掛梁組成。需要研墨時(shí)，接通電源，電動(dòng)機(jī)工作（這款模型采用的是搖頭式風(fēng)扇上的電動(dòng)機(jī)，它可以順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)），通過傳動(dòng)片面帶動(dòng)墨塊轉(zhuǎn)動(dòng)研墨。書寫完畢后，剩余的墨汁進(jìn)入儲墨器。

這種研墨器解決了前一種研墨器在磨墨過程中不能蘸墨書寫的問題，但在試用過程中，又察覺這款研墨器還不能有效解決墨頭磨損補(bǔ)償?shù)膯栴}和高效磨墨的問題。

根據(jù)方案C制作的研墨器，由電動(dòng)機(jī)、硯臺、墨塊夾頭、彈簧、支座、鉸鏈、底座、注水頭組成。與前兩種磨墨器相比，它采用了多個(gè)墨塊的“群墨”參與研墨方式，且在傳動(dòng)鏈中增加了球形鉸鏈，解決了墨頭磨損補(bǔ)償和自動(dòng)加水的問題。

通過三種研墨器的測驗(yàn)對比，我們認(rèn)為根據(jù)方案C設(shè)計(jì)制作的研墨器更能達(dá)成設(shè)計(jì)預(yù)期，能夠?qū)崿F(xiàn)平勻研墨、高效研墨、自動(dòng)研墨的性能要求。

本研發(fā)在查看分析人工研墨特點(diǎn)的根基上，利用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)出一種具有平勻研墨、高效研墨和自動(dòng)研墨的新器具，對弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化，提升書畫興趣以及促進(jìn)文房四寶的產(chǎn)品研發(fā)具有確定的作用。其技術(shù)上的創(chuàng)新點(diǎn)有以下三點(diǎn)。

（1）變單墨塊研墨為多墨塊（群墨）研墨，提高了研墨的工作效率。

（2）在實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性的平勻研墨性能要求方面，采取了三種措施：一是讓墨塊做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；二是設(shè)置球關(guān)節(jié)增加運(yùn)動(dòng)柔性；三是在墨塊與硯臺之間設(shè)置彈簧，形成合力鎖，并能對墨塊磨損舉行補(bǔ)償。

（3）采用碰撞式間歇注水，方法簡樸穩(wěn)當(dāng)。

（1）增加對墨汁濃度的測試。

（2）舉行藝術(shù)造型設(shè)計(jì)，使之成為優(yōu)雅的書房雅品。

（1）創(chuàng)新并不神秘，只要我們細(xì)致查看身邊的事物，并利用所學(xué)學(xué)識創(chuàng)造性地解決身邊存在的問題，就能有所創(chuàng)造，并能在創(chuàng)新過程中體驗(yàn)成長的喜悅。

（2）集體工程的完成，務(wù)必依靠集體聰慧、相互協(xié)作，合理的分工、智力的互補(bǔ)是順?biāo)焱瓿晒こ痰闹匾ＷC。

（3）該研發(fā)的順?biāo)焱瓿?，離不開隆回縣青少年校外教導(dǎo)活動(dòng)中心創(chuàng)新教導(dǎo)輔導(dǎo)老師的培訓(xùn)，感謝科技輔導(dǎo)老師的用心指導(dǎo)和學(xué)校的大力支持，感謝木工師傅和電工師傅為我們供給扶助。

創(chuàng)新的靈感源于對生活的喜歡。小研發(fā)者在對身邊事物留