在北京冬奧會和冬殘奧會上，一批中國“智造”黑科技驚艷亮相，在賽事運行、城市保障、場館建設等方面為盛會的成功舉辦立下了汗馬功勞。在後冬奧時代，這些服務過冬奧會的智慧科技將走進尋常百姓家，為更廣泛的人群提供貼心服務。

智慧手消站實景圖

　　智慧手消站助力疫情防控

　　最近，曾在北京冬奧會和冬殘奧會期間上崗的智慧手消毒設備正忙著“投簡歷”，希望在更多社區、街頭、醫院和校園裏上崗，方便更多人隨時進行手部消毒。

　　“很多人都遇到過出門在外沒地兒洗手的情況。”北京君陽方舟科技有限公司董事長白亮是研發團隊負責人，他從手機裏找到一段小視頻，邊播放邊説：“這是北京街頭衚同裏的一個特別普通的公共衛生間，裏面挺整潔，但是沒有安裝洗手裝置。我觀察過，有些人上完廁所後，就直接掃開共享單車騎走了。”一次普通的實地調查成為他研發智慧手消站的初衷：“想讓大家隨時方便地洗手，更重要的是，防疫需要。”

　　白亮是北京交通大學機電係1986級熱能動力機械與裝置專業的畢業生，機械專業的學習讓他養成了留存草圖和實驗數據的習慣。如今，他用手機裏的照片就可以拼湊出一部智慧手消站“誕生記”——最初的底盤設計類似水碼，目的是減輕産品總重量，組裝好後灌水以達到穩底盤的效果；考慮使用鋰電池，而不是太陽能電池板，避免因為戶外連續陰天造成設備“罷工”；圓柱形的設備主體採用了標準的鋁合金型材，這是市面上最常見的建築耗材，物美價廉使用方便……

　　“請進行手消毒，做好個人防護。”一台高約1.6米的手消設備立在路邊，凡是有人靠近，就會主動發出提示。如果把手伸到噴頭下，它會自動噴出一股消毒液水霧。

　　看似普通的智慧設備和簡單的機械動作，背後是由一個個精心打磨的細節支撐而成。為了噴準這股水霧，研發團隊忙乎了一個多月。“一開始我們採用了最常見的紅外線感應，但是在戶外環境中測試發現，它經常失靈。”白亮説，有時候飄過一塊雲，沒人伸手，設備也噴液；有時候大晴天，測試人員反復出手，噴頭就是沒反應。

　　就在研發陷入瓶頸時，一次偶然的發現給白亮帶來了靈感。“開車的時候，我聽到倒車防撞雷達的鳴響提示，意識到這和我們的手消設備有相似的工作原理，乾脆就用超聲波感測器，徹底規避戶外光線所帶來的干擾。”隨後，白亮將這一構思講給研發人員，經過嚴格的調控和測試，一個靈敏的超聲波感應頭被安裝在了智慧手消站上，可實現每人單次使用不超過2秒的出液速度。

　　在北京冬奧會和冬殘奧會正式上崗前，智慧手消站還扛住了疲勞測試。“測試員”是研發團隊自己攢的一台設備：運轉時，一個模擬手掌的塑膠板不停旋轉，循環經過兩台待測智慧手消站。“考慮到未來要在室外使用，所以我們選了最冷的一天，在沒有暖氣的倉庫裏進行了測試。”白亮説。

　　翻開實驗記錄手冊，數據顯示，測試環境氣溫低於0℃，測試從中午一直持續到次日0時30分，兩台設備運轉順暢，大約耗費了6袋1000毫升的酒精溶劑。“最後手消站依舊‘忙得起勁’，是測試人員困到扛不住了才停了機器。”白亮笑呵呵地説，眼裏滿是自豪。

　　據統計，北京冬奧會和冬殘奧會期間，300余臺智慧手消站在“鳥巢”“冰立方”和奧林匹克公園等區域值守，累計服務超過99萬人次。“每天每台儀器的數字日記都會自動回傳到運維平臺。”白亮説，這台儀器可以實現後臺自動控制，已經建成了基於物聯網大數據平臺的雲端一體化管理系統。

　　這個系統還能實現隔空指揮。工作人員在後臺，動動滑鼠、輸入數字，就可以調整指定設備的工作時間、出液量、感控聲音大小等內容，並查看余液量、用電量、環境溫度、設備溫度、液體溫度等數據，實時掌控設備運行狀態，準確把握運維需求。

　　最近，智慧手消站還走進了社區、酒店等，工作狀態穩定。“經過測試，儀器可以耐酷暑也可以抗嚴寒，在零下30℃的環境裏能正常工作。”白亮説，後臺匯總的大數據，也將為防疫措施調整和細化提供數據支撐。比如在一個社區裏的3台儀器顯示，最初居民因為好奇一天使用了3319次，之後使用更加常態化，每日使用頻率大約1800次。“使用頻率高的儀器證明所在區域手消需求量大，也是防疫的重點。小區的入口處、小廣場附近，居民使用比較頻繁。”

　　在研發團隊的辦公室裏，各式各樣的智慧手消站排成一列。“原來更換消毒液需要從上面開蓋，現在只需要扭動柱身就行了”“這款是可以擺放在桌面的智慧手消站，體積更小巧”“這臺立式手消站的所有零件都可以拆卸，塞在一個小紙箱裏”……白亮説，研發團隊會定期總結數據，對智慧手消站進行升級，也期待著它們可以走進學校、醫院和商業區等人員聚集場所，為更多人提供防疫保障。未來，手消毒有望成為一種新興的生活方式，引領市民健康衛生出行。

帥梅（中）團隊研發大艾機器人

火炬手楊淑亭穿戴外骨骼機器人傳遞火炬

　　“鋼鐵戰衣”讓癱瘓者站起來

　　在2022年北京冬奧會火炬傳遞中，一位身穿“鋼鐵戰衣”的火炬手吸引了眾多目光。與其他奔跑的火炬手不同，她將火炬固定到胸前的插桿上，雙手拄著輔助手杖，邁出穩健的步子。30米，對於高位截癱11年的楊淑亭而言，漫長而又短暫。而在冬奧舞臺亮相，也讓外骨骼機器人被更多人看到。未來，這套“鋼鐵戰衣”將幫助更多癱瘓者重新自主行走，也將面向老人、青少年等更多群體推出集治療、康復、鍛鍊于一體的智慧服務。

　　這套外骨骼機器人有個“有愛”的名字——大艾機器人，它的研發源於一個夢想：“讓重症肢體殘疾人能夠從輪椅上站起來，走起來。”北京航空航天大學生物醫學工程高精尖中心外骨骼實驗室主任、北航生物與醫學工程學院研究員帥梅是大艾的創始人，自2003年起，在清華精密儀器係攻讀博士後的她便開始了倣人機器人研究。

　　當時，研究如何讓機器人模倣人行走是帥梅團隊的一大重要課題。“為了讓機器人在崎嶇路面上不摔倒，我們花了不少功夫。”帥梅解釋，對人而言，腳下突然遇到凸起，就條件反射，甚至能夠瞬間調整重心避免摔倒，這源於自我保護的本能。然而，讓機器人習得這種“本能”卻不容易。

　　帥梅團隊的策略是通過演算法計算機器人腳底受力，再依此來調節腿和軀幹的步態。為了檢驗機器人應對各種複雜路況的能力，團隊定制了一批5毫米到2釐米形狀、大小不等的障礙片。“測試時，我們往地上隨意撒一把障礙片，觀察機器人在上面行走時的細微反應，從而修改演算法。”從不摔跤，到不停頓、不打滑，機器人在一次次測試中實現了對崎嶇路面做出自然的肢體反應。

　　“科研要為更多人服務”，本著這一理念，帥梅將倣人機器人的研究轉向醫療器械領域，以期能做出有實際應用的研發。在北航校園裏，她經常看到行動不便的退休教師，在路上蹣跚前行，自己的母親年紀也越來越大，腿腳逐漸不便。於是，她將目標鎖定在研發一款幫助老年人和下肢癱瘓患者恢復行走功能的機器人上，從此開啟了外骨骼機器人的研發之路。

　　“為了研究步態，我常在路上觀察行人走路的姿勢。”帥梅邊説邊模倣，她腳底緊貼地面，左右腳挨在一起，依次向前挪步——某天，她看到一位老人想要跨越臺階，這個對年輕人來説根本不算障礙的小坎兒，卻卡住了老人的腳尖，導致摔跤。“我當時就在想，一定要做出一款幫助老人鍛鍊腿腳的機器人，讓他們擁有一個健康自如的晚年。”

　　經過調研，帥梅發現，千人千病，要想真正幫助到老年群體，就得從醫學層面入手，找出導致老人行走不便的根源，再讓機器人對其進行有針對性的康復訓練。肌肉協調能力弱、關節活動度小、帕金森罕見病……研發團隊翻閱醫書、請教醫學專家，針對不同的身體狀況制定訓練方案，通過調整機器人的使用時長、頻率、助力等參數，達到鍛鍊效果。

　　帥梅的母親是首批體驗者。“母親每週用機器人保持鍛鍊兩到三次，現在88歲了依舊健旺，爬山爬樓都不在話下。”對於行走不便的老年人來説，外骨骼機器人是健康晚年的保障，而對於下肢癱瘓的病人來講，大艾可能成為生活的希望，是照進生命中的一束光。

　　“我這15年活得不如這5天。”帥梅清晰地記得，4年前，15歲的小姑娘安琪對她説的這句話。出生半個月就被確診腦癱，兩歲時被醫生告知日後僅能坐起來，雙手僅能做類似合掌的簡單動作，安琪比喻自己的狀態是“腦細胞無法支配身體的零件”。然而，她僅訓練了5天，就可以穿戴外骨骼機器人拄拐自主行走了。

　　讓安琪體驗“獨立行走”的機器人大約20公斤重，是一套可穿戴的人工智能型裝置，有保護、感應肢體活動、驅動機械關節重現動作、提供額外動力的作用。它還有一顆“智慧大腦”——能感知到使用者行走快慢等主觀意願，通過科學地調節行走速度、步態，完成爬樓梯、上下坡、進出電梯等複雜動作。

　　“很多人都有一個誤區，認為外骨骼只要能讓癱瘓患者站起來走幾步，就解決問題了。”帥梅解釋，普通人擁有自主平衡的能力，外骨骼則是要教會患者在步行的動態中保持平衡，最終擺脫外骨骼，自主行走。如今，在大艾的幫助下，安琪的雙腿已經學會了走路，並能借助拐杖行走一段路程。

　　如此智慧的“大塊頭”，一定很貴吧？“我們的目標是讓大艾走進更多人家，做百姓用得起的智慧機器人。”帥梅介紹，2020年6月，團隊推出了普惠版機器人。這些年來，大艾在優化功能和採用優質材料的基礎上，一直在降低成本。“現在，老年人可以在北京的社區醫院使用醫保接受治療，二級以上殘疾患者還有康復補貼。”

　　如今，帥梅仍會親自教患者怎樣使用機器，幫他們調節穿戴設備，陪伴他們重新站起來。她説，有一位病人癱瘓18年了，通過穿戴大艾下肢的感知正在恢復，力量也一點點練出來了，他對自己很有信心。“看見他們站起來，我也會跟著高興。”

凝膠冰雪

　　“永不融化”的冰雪引來八方客

　　晶瑩的一塊“冰”，摸上去冰冰涼涼；使勁兒戳一下，凹了一塊，但很快又回彈了；在手掌裏隨意揉捏，觸感宛若一塊彈性極佳的果凍，“冰”隨心動，絲毫沒有融化的痕跡。這種“冰”擁有20多項科技專利，是北京理工大學宇航學院教授張凱團隊研發的凝膠冰雪，“永不融化”是它最大的特點。

　　“4年前的一天晚上，我收到學校發來的一封郵件，鼓勵教師們積極發揮科研優勢服務北京冬奧會。”張凱驕傲地介紹，“我們學校的老師有科技報國的傳統，所以我第一反應就是得參與。”

　　張凱團隊此前一直從事航天和水下大型裝備減震降噪的研究，深耕水凝膠等新型固體材料領域多年。“從自己擅長的領域出發，打造一款人工冰雪，讓大家可以不受時間和空間的限制，隨時享受到冰雪的樂趣。”團隊的研發初衷簡單且美好。但實際操作起來，即便已經積累了豐富的科研經驗，他們仍需面對一個個困難，甚至經歷了多次推倒重來。

　　將水凝膠和冰雪産業結合，在世界範圍內是首創。“儘管水凝膠領域研發已經發展了十多年，但由於用途和需求不同，技術攻關的難題也變了。”張凱舉例，水凝膠在生活中應用很多，比如人們做B超時，塗抹的是偏液體的凝膠；在深海領域研究的凝膠，更關注其透聲性質；與冰雪運動結合後，凝膠既要在冷凍後和冰一般剔透晶瑩，具有最接近冰的摩擦系數和硬度，又要在常溫下具有較好的拉伸性和韌性，避免在使用過程中一碰就碎。

　　“凝膠冰雪90%以上的成分都是水，和自然冰雪具有基本相同的視感和觸感。”張凱説，它的“神奇”之處在於，如果升高溫度，自然冰雪會迅速融化成水，而凝膠冰雪即使在升溫狀態下依然能夠保持固體形態。

　　“普通的冰在超過冰點後會融化，但在高聚物網絡的作用下，融化後的水會被牢牢鎖在網絡中。”張凱揭秘，這也是“永不融化”的原因，其秘訣深奧且專業。簡單來講，就是科研團隊憑經驗和科學分析先找出幾款基礎材料，通過光、熱等方式使材料發生化學反應，製備出凝膠材料，再去測試這種新材料的拉伸強度、摩擦系數等力學屬性是否能達到標準。選擇、實驗、測試……張凱把研發過程輕描淡寫地描述成幾個步驟，可在這背後，團隊反復進行了上千次試驗，研發出了近100種配方。

　　“此前我們研究水凝膠都是在實驗室裏，用普通醫用注射器混合原材料，從而達到加速混合的效果。”張凱邊説邊拿出一塊拇指大小的凝膠冰雪，“想要在冰雪嘉年華上應用，就要掌握建造冰場和雪屋的大尺寸凝膠冰雪製備工藝，對材料的力學屬性也有了更高的要求。”

　　同時，考慮到孩子們會在冰雪嘉年華上與凝膠冰雪“親密接觸”，新材料一定得是無毒無害的。張凱補充，在調整配方的基礎上，團隊特意使用了生物相容性材料，製備全過程不僅對人體無害，還對環境友好，可降解。不僅如此，這種“冰”還要便於攜帶和組裝，“常溫下可以像卷鋪蓋似的，一卷就帶走。若加上製冷機組，它搖身一變就能成為一片冰場。”根據凝膠冰雪的實際使用需求，團隊為研發層層加碼，再逐一攻克，最終研發出一種由多種材料聚合反應而成、含親水高聚物網絡的凝膠冰雪。

　　除了在冰雪嘉年華上“發光發亮”，團隊還為凝膠冰雪創造出了更多有趣的應用，比如製成冰雪咖啡杯，具有不融化、不失型，韌性強、不易摔碎的特點，還能重復使用。當顧客往一隻精美的冰杯中倒入熱騰騰的咖啡，不一會兒，咖啡降溫了，冰杯則變得軟糯Q彈，這樣的場景頗具網紅打卡點的潛力。

　　未來，凝膠冰雪有望成為推動冰雪行業快速發展的新一代材料。“從前的人工冰雪生態較為單一，推廣性不足。因為用傳統的水凍冰的模式去建造冰雪娛樂設施，造價高，能源消耗大，對制冰本身也有很多要求。”張凱説，凝膠冰雪大大降低了場館建設費、製冷設備費、人工費等。這種新材料不像真冰一樣容易開裂，遇熱不會融化，人們可以盡情觸碰。

　　北京冬奧會期間，這款凝膠冰雪在中國科技館亮相，受到小朋友們的喜愛。不少地方政府、冰雪場館、高科技企業等通過網絡了解後，登門拜訪，希望引入凝膠冰雪，推廣凝膠冰雪的産業化。張凱透露，來自廣州、上海和三亞等很多城市的冰雪運動愛好者，想把這款不融化的冰雪帶到南方地區。“希望它能成為北京冬奧遺産的一張金名片，讓更多地區的孩子們感受到冰雪運動的魅力，在未來發揮更大的作用。”

　　（北京日報記者 劉冕 實習記者 何蕊）