可自动装卸的自定义线路

孟豪泽

摘要：现阶段大多数的临时线路都存在无法弯曲，弯曲后会发生折断，灵活性差或者弯曲后固定能力差的缺点，同时线路的精确长度较难测定，并且受到线路材料弹性的影响，导致实际铺设时常出现线路长度不足或过长而产生的材料损耗问题，对生产生活带来极大不便。为了能够让线路克服这些缺点，我研究了一种可自动装卸的自定义线路，设计出可自动装卸的临时模版线路，从而达到装卸便捷，线路可自定义化的目的，让线路可以随意弯曲，并且能够自行定义增加或者减少线路的长度，减少对材料的浪费，铺设更加灵活。

关键词：自定义 可装卸 线路

一、 研究背景及目的

现阶段大多数的临时线路都存在无法弯曲，弯曲后会发生折断，灵活性差或者弯曲后固定能力差的缺点，同时线路的精确长度较难测定，并且受到线路材料弹性的影响，导致实际铺设时常出现线路长度不足或过长而产生的材料损耗问题，对生产生活带来极大不便。基于此类问题，本项目设计了可利用电磁作为引导的拆卸较为便捷的临时线路，用于各类临时线路的铺设和手脚架等临时结构的装卸，提高其灵活性、自动化程度以及可自定义性能。

二、研究过程

1.初步设想

生物课上，生物老师讲到“微丝、微管的踏车行为”，微丝、微管等细胞骨架可利用极性装卸实现骨架网络的构建和调整，所谓“踏车运动”，在体外组装过程中有时可以见到微丝的正极由于肌动蛋白亚基的不断添加而延长，而负极则由于肌动蛋白亚基去组装而缩短，这一现象称为踏车运动，原理就是微丝、微管可以无线组合延伸，此原理可应用于宏观的工程设计中。其具有的正端组装，负端解聚的体系，可用于改良现有的线路搭建体系；家中装修过程中，需要铺设线路，经常会因为线路在实际铺设过程中过长或者过短，导致线路的浪费，还需要重新购买线路，重新铺设，造成了人、物、财的浪费；从小父母就教育我勤俭节约，晚上做作业时，正好温习到生物老师将到的“微丝、微管的踏车行为”，我就突发奇想，能不能研究一种能够通过用户自行定义长短的线路呢？让多根线路的端头相互组合连接，利用“踏车运动”原理，微丝、微管本是两根在长度方向上侧面叠加，并不会增加长度，我突发奇想，让线路模仿微丝、微管，但是不是长度方向上侧面的叠加，而是线路两端头相互连接，组合成更长的线路，可以根据需要长短自由组合需要的长度，这样就避免了浪费。

2.装置结构

a.线路外部环境中极性的构建：

经过综合考虑，可以运用磁铁的极性来模拟细胞中的极性。关于磁铁的极性构建，主要有以下两种思路：

1、通过在一定空间内构建匀强磁场模拟：

利用“相隔一定距离的两个平行放置的线圈在通电时，其中间区域的磁场为匀强磁场”这一理论，在一定区域内构造出匀强磁场。选用磁体类型为电磁体。这一方法可同时构造出多条线性线路。

2、通过构建两个异极单极磁体模拟

利用“把无数条条形磁体的一极（如N极）集中到一起，会形成一个中间为一极（N极），外部为一极（S极）的磁球，”这一理论来构造单极磁体，并用两个异极单极磁体来模拟极性。选用磁体类型为永磁体。

b.线路单体极性的构建：

模拟方式与在外部环境中相似，通过磁体两极来模拟，选用磁体类型为电磁体。

c.电源的设定

1、电源类型：交流电源

2、路端電压的曲线方程：U=Asin（ωt+φ）+B

（A>B>0，ω>0）

d.线路单体的磁性变化的周期问题

由“路端电压的曲线方程”可得，电压波动的周期T=2π/ω。为方便研究，可将φ值定义在（-2π/ω， 2π/ω）区间内。设路端电压U>0时线路单体（以下简称为单体）的N极为C端，S极为D端。则：

当t∈（[arcsin（-B/A）-φ+2kπ]/ω，[π-φ-arcsin（-B-A）+2kπ]/ω） k∈Z时，U>0，此时C端为N极，D端为S极；

当t∈（[-π-φ-arcsin（-B/A）+2kπ]/ω，[arcsin（-B/A）-φ+2kπ]/ω） k∈Z时，U<0，此时C端为S极，D端为N极；

则在一个周期内：

U>0时，Δt1=[π-2arcsin（-B/A）]/ω

U<0时，Δt2=[2arcsin（-B/A）+π]/ω

可得，A-B的值越小，Δt1越大，Δt2越小；当A-B值接近0时，U<0的图像可蜷缩至近似于一个个不连续的点。在此条件下，一个单体绝大部分时间内C端为N极，D端为S极；而在某些时间点，C端和D端则会分别具有S极和N极的性质。若在此基础上提高φ值在其定义域内的随机性，则可使一定区域内任意两单体在U<0时t的区间出现重叠的几率降低到接近于0，从而使一定区域内任意两单体的C端（或D端）在大部分时间内具有相同极性，而在某些时间点内具有相异的极性。

3.方案的改进

此设定可保证线路中的单体具有一定的稳定性，同时也赋予了装置较大的随机性，从而得以实现组装、拆解双向的自动化。为实现双向自动化，单靠电压的设定是不够的，还应在机械设计上加以改良。因此需要设计一个机械扣锁。

线管-1；单极磁体N极-2；单极磁体S极-3；扣锁槽-4；扣锁扣-5；霍尔元件-6；单极磁体N极帽子-7；单极磁体S极帽子-8，屏蔽层-9。

扣锁槽为一单极磁体的N极，即线管D端；扣锁扣为另一单极磁体的S极，即线管C端。一个线管两端均设置扣锁，线管C端设置扣锁扣，线管D端设置扣锁槽，扣锁槽等分为四瓣，每个扣锁槽都由联动装置连接，这种联动装置可以为电推杆推动扣锁槽沿线管径向移动，每个线路上的扣锁槽对应单极磁体的相斥或者相吸，使扣锁槽同步打开或者闭合，当单极磁体相吸时，扣锁槽闭合，对应扣锁扣能够插入扣锁槽中，实现锁定，当单极磁体相斥时，扣锁槽打开，对应扣锁扣能够从扣锁槽中脱离，实现线路断开，在上述基础上提高φ值在其定义域内的随机性，A-B的值越小，Δt1越大，Δt2越小；当A-B值接近0时，U<0的图像可蜷缩至近似于一个个不连续的点。在此条件下，一个单体绝大部分时间内C端为N极，D端为S极，从而使线管相吸；则可使一定区域内任意两单体在U<0时t的区间出现重叠的几率降低到接近于0，从而使一定区域内任意两单体的C端（或D端）在大部分时间内具有相同极性，从而使线管相斥。由于单极磁体的磁感线是呈辐射状的，在线路的磁体内外设置屏蔽管，防止磁感线对线路造成影响。

4.操作方法

将扣锁进行锁定，通过单极磁体将两段线路吸引，通过屏蔽层将单极磁体的磁感线进行屏蔽，使线路能够自定义设定长短，结合前文所述的电压，可达到装卸双向自动化的要求。

可将线路分为两类：

1、线性线路：利用匀强磁场构建的线路，能够建造出标准的直线线路。

2、非线性线路（自定义线路）：利用两个单极磁体构建线路，可将N极单极磁体作为固定端，将S极单极磁体作为一支“笔”，按照预先设定的路径在一定区域内移动其间将单体铺设在路径上。此方法可构建出任意连续的非线性线路。此方式需要求单体主体的结构材料能在短时间内具有一定的可塑性，并在之后能够有较强的稳定性，不易变形。

为实现自动装卸，还要再设计一个帽子结构。分为N极帽子和S极帽子：

1、S极帽子：

在S级加一个帽子，可以阻止S极的解聚，从而使线路延长。

2、N极帽子：

在N极加一个帽子，可以阻止N极的组装，从而使线路缩短。

三、结论

本项目研制的可自动装卸的自定义线路，利用“微丝、微管的踏车行为”，让线路模仿微丝、微管，但是不是长度方向上侧面的叠加，而是线路两端头相互连接，组合成更长的线路，可以根据需要长短自由组合需要的长度，能够实现线路自动组装和解聚功能，能够自行定义增加或者减少线路的长度，减少对材料的浪费，铺设更加灵活，希望以后我发明的可自动装卸的自定义线路能够普及，这样就能让更多的家庭减少线路的浪费，为祖国节约资源，同时保护了环境。

参考文献

[1]邢艳丽 .李静 .耿美玉，《细胞迁移中微丝微管的变化及其信号转导通路研究进展》，现代生物医学进展，2007.07