“黑科技”闪耀汉诺威

时间:2018-05-02  来源:《瞭望》新闻周刊 
  无论工业文明怎么发展,主题如何变迁,一个理念始终不曾改变——那就是科技进步要服务于人类的幸福。
 
  文/《瞭望》新闻周刊记者袁帅
 
  2018汉诺威工业博览会(以下简称工博会)4月23日在德国汉诺威拉开帷幕,全球五千多家展商云集亮相。在每年的工博会上,都会有一批最新科技成果,紧扣年度主题,引领着未来几年内工业科技的发展方向。今年也不例外。本次工博会的主题是“集成的工业——连接与协作”,许多参展商在人工智能、信息收集和能源技术等领域推出“黑科技”,充分体现出数字化转型在工业中的最新进展。
 
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  储能创新令人惊艳
 
  电动汽车产业近年来蓬勃发展,但在电池技术上遭遇到瓶颈。尽管现在已经有了足够市内交通使用的大容量电池,充电速度却慢得让人头疼。对这一问题,卢森堡的MDI公司提出了一个新思路:储能不一定就要储电。该公司在本次工博会上推出一款以高压气体提供动力的汽车,其原理是通过压缩气体将能量储存在高压气体中,行驶时通过高压气体发动机将势能释放为动力。一个高压气罐就相当于一块“电池”。
 
  这款名为Airpod的汽车目前已经开发至第二代,可供2人乘坐,载重300公斤,最高时速可达80公里,一次充气可供行驶最远120公里,非常适合于未来市内交通。这些性能与当前中国市场上的电动汽车类似,一大优点是其充气时间仅需几分钟,远远少于电动汽车几个小时的充电时间。
 
  而且这款汽车使用的压缩气体为大气的主要成分——氮气,使用过程中不发生燃烧等化学反应,因此完全不造成污染。
 
  可以想象这样一个画面:开高压气体动力汽车的司机发现车子快没气了,开到加气站,抽根烟的工夫就又可以上路了;开电动汽车的司机发现车子快没电了,开到充电站,抽整整一条烟也走不了;开汽油车的司机最惨,他发现车子快没油了,开到加油站,抽一根烟的工夫可能加油站就炸飞了。
 
  除了Airpod,MDI公司还正在利用高压气体推进技术研发续航能力和功率更大的家用汽车、小型船只和助力自行车。该公司此前推出的一款低速、短距离货运汽车目前已被法国南部的一家核电站用于在园区内收集和转运垃圾。
 
  汽车储能之外,如何给小型电子设备供能也是个大问题。在工业4.0时代,智能工厂的自动运转要靠大量传感器、控制器、信号收发器等小型电子设备。这些“小玩意”虽然看起来不起眼,但通常被安置在关键位置,实时监测和调控大型设备的运转。它们虽然耗能不多,但也需要附加电池或外接电源线以提供电力,这就需要不定期地更换电池或进行电路维护工作。
 
  随着其应用愈加广泛,许多小型电子设备需要安装在无法外接电源或不便维护的位置上。对此,德国弗劳恩霍夫集成电路研究所在工博会上推出了热能采集技术,能够从最小4摄氏度的温差中获得能量,可以就近安装在小型电子设备旁边,充分利用工业废热,为其提供稳定而持续的电源,功率在几百微瓦至几毫瓦之间,从而大大降低设备的维护成本,在理想状况下甚至可以达到无限续航。尤其是在大型机械内部或较偏远位置,这种热能采集系统可以给传感器的布局提供更多可能性,在今后小型电子设备密集的工业4.0中有极大的应用潜力。
 
  不光是在工业领域的应用,这种热能采集系统还可以附着在人体表面,为人员使用的小型电子设备提供电力。此外,除从细小温差中收集电能外,研究人员还在探索从低光照和细微运动中收集电能的技术。正如该研究所人员提出的理念一样,“微小能量也能创造巨大变化”。

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  3D打印要“上天”
 
  夸人厉害时有时会说:“你咋不上天?”没错,在备受关注数年后,3D打印技术如今也要上天了。
 
  德国联邦材料研究和检测机构(BAM)在本次工博会上推出了无重力环境下的3D打印技术,用以节省航天任务中的运输成本。该机构推出的3D打印技术以金属粉末为原料,可以直接“打印”具有足够强度的金属零部件。
 
  在无重力状态下进行3D打印,最大的挑战是打印用的“墨粉”不会自主流动。该机构推出的打印设备使用氮气气流推动“墨粉”流动,同时氮气还能避免金属粉末发生燃烧。在打印时,金属粉末在激光束的照射下附着在此前打印好的层面上。
 
  今年3月,这一技术在模拟失重条件的自由落体飞行中得到了验证。在工博会现场,该项目负责人延斯·君斯特教授向《瞭望》新闻周刊记者展示了在这次飞行中打印出来的一个小“扳手”。据他介绍,打印这个钥匙般大小的“扳手”只用了几分钟时间。
 
  君斯特教授还介绍说,当前研发出在无重力条件下进行3D打印技术的除了BAM就只有美国国家航空航天局(NASA)了,但NASA采用的是液体原料打印技术,打印出来的零部件强度远不如以粉末为原料的零部件。研发太空3D打印技术,一方面可以将形状不规则的备用零件以原材料的状态带上太空,节省空间成本,另一方面也可以直接在太空打印数量短缺的零部件,及时修复故障。
 
  随着3D打印被日益广泛应用,3D数据的采集工作也开始受到研究人员的重视。德国弗劳恩霍夫图像数据处理研究所在工博会上推出一款全自动3D扫描仪,相比当前人工手动控制扫描镜头的方式,使用这款全自动3D扫描仪可以节省大约70%的时间,同时,数据的准确性也有所提高。
 
  这款名为CultArm3D-Laser的扫描仪主要由激光扫描探头和控制探头移动的机械臂构成,然而最为关键的是它所采用的算法。它可以根据每一次扫描,预判下一次扫描的最佳角度,即便对于陌生物体也可以迅速完成扫描,流程中基本不需要人工操作,也不需要提前录入基本模型。在需要大量采集3D图像数据的领域里,这款全自动扫描仪能够节省相当可观的时间成本和人力成本。值得一提的是,在保证工作效率的同时,这款扫描仪的最高精度可以达到30微米。
 
  目前,这款扫描仪可以用于工业零配件的3D扫描。在文化艺术领域,如果给激光扫描探头增加识别颜色的模块,这款扫描仪还可以用于艺术品的3D扫描。目前,一些文物保护组织正在使用这款扫描仪对一些著名雕塑和工艺品进行3D扫描。此外,如果将带动探头移动的机械臂换成无人机,这款扫描仪还可以对建筑等大型物体进行扫描工作。

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  自动化设备将推进  人类空间的新边界
 
  除了3D打印技术要上天,引力波探测器也要上天了,而且还要和地球“肩并肩”。
 
  自从2016年2月人类首次直接探测到引力波以来,引力波天文学日益成为天文学的热门分支。随着研究的深入,对引力波探测装置的精度的要求也越来越高,这就需要一个将一台更“大”的探测器安置在更为“安静”的环境里。科研人员想到了太空。
 
  当前,欧洲航天局计划于2034年发射人类首个位于太空中的引力波探测器——演化激光干涉空间天线(eLISA)。作为这一项目的参与方,德国马克斯·普朗克引力物理研究所在此次工博会上展出了eLISA的模型。
 
  eLISA由三个相同的飞行器构成。发射后,这三个飞行器将组成边长为500万公里的等边三角形,和地球在同一轨道上围绕太阳飞行。这三个飞行器上均设有激光干涉仪等装置,通过同另外两个飞行器之间的激光干涉来探测引力波导致的空间波动,从而间接反映引力波现象。
 
  理论上,激光束越长,发生干涉时的相位变化就越明显,探测空间波动就越灵敏。2016年2月人类首次探测到引力波的探测器也是通过激光干涉现象进行的探测,但当时所使用的探测仪中,激光束在长约4公里的真空管道内通过约50次反射,总光路长度也仅为约200公里,同时还要克服地球自身的振动。而在太空中,eLISA的三个飞行器彼此间的距离为500万公里,还能完全避免地表振动的干扰。
 
  据研究所工作人员介绍,eLISA将能探测到整个已知宇宙范围内的引力波,甚至有可能发现“宇宙大爆炸”的余波,从而为人类解开宇宙诞生之谜提供更多信息。
 
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  eLISA要上天,机器人要下海。德国弗劳恩霍夫研究所与莱比锡大学环境技术研究院等机构此次联合推出了水下排雷机器人,将最大程度上减少在水下排雷工作中人类的参与程度,可在避免对人员安全造成威胁的同时,加快排雷进程、降低成本。
 
  随着能源结构改革的推进,德国近年计划在北海和波罗的海沿岸的浅水区兴建风力发电场。然而统计显示,这一地区当前仍有约160万吨水下武器,其中既包括两次世界大战期间故意布设的水雷,也包括二战后德国裁军进程中遗弃的武器弹药。在经历多年海水的冲刷后,许多水雷早已改变了预先埋设的位置。海水的侵蚀更可能已造成危险物质泄漏。这意味着七十多年前的炸弹仍威胁着海洋生物和附近海域作业的人类。德国媒体2016年曾报道,在这一地区的探测和扫雷工作已花费了数百万欧元。
 
  为此,德国联邦经济和能源部自2015年起,斥资320万欧元,资助对水下排雷工作的研究。科研人员将对爆炸物的研究成果和当今的机器人技术相结合,研发出可以在水下全自动作业的排雷机器人。工作人员只需驾驶船只前往可疑海域,将机器人投放水中,并根据其传回的数据进行初步分析。如果判断机器人发现了可疑物体,机器人就会进行详细识别,随后根据爆炸物的具体种类,有针对性地、全自动地进行解除爆炸装置、分解爆炸物及回收金属残骸等工序,全程不需要人类参与,也不需要大规模爆破处理。相比于此前的人工排雷方式,可以说基本消除了对人员安全的危害。目前,水下排雷机器人可在最深50米的海域内进行作业。
 
  工博会自1947年创立以来,已走过71年岁月。在这71年的岁月中,无论工业文明怎么发展,主题如何变迁,一个理念始终不曾改变——那就是科技进步要服务于人类的幸福。贸易和谈判能够解决的问题,当年的人们却选择了战争,遗留的祸患直至今天。而今天的人们有能力去修补当年的错误,这正是科技进步要服务于人类幸福的最好体现。