北京：冬奥科技“出圈”

在北京冬奥会和冬残奥会上，一批中国“智造”黑科技惊艳亮相，在赛事运行、城市保障、场馆建设等方面为盛会的成功举办立下了汗马功劳。在后冬奥时代，这些服务过冬奥会的智能科技将走进寻常百姓家，为更广泛的人群提供贴心服务。

智能手消站助力疫情防控

最近，曾在北京冬奥会和冬残奥会期间上岗的智能手消毒设备正忙着“投简历”，希望在更多社区、街头、医院和校园里上岗，方便更多人随时进行手部消毒。

“很多人都遇到过出门在外没地儿洗手的情况。”北京君阳方舟科技有限公司董事长白亮是研发团队负责人，他从手机里找到一段小视频，边播放边说：“这是北京街头胡同里的一个特别普通的公共卫生间，里面挺整洁，但是没有安装洗手装置。我观察过，有些人上完厕所后，就直接扫开共享单车骑走了。”一次普通的实地调查成为他研发智能手消站的初衷：“想让大家随时方便地洗手，更重要的是，防疫需要。”

白亮是北京交通大学机电系1986级热能动力机械与装置专业的毕业生，机械专业的学习让他养成了留存草图和实验数据的习惯。如今，他用手机里的照片就可以拼凑出一部智能手消站“诞生记”——最初的底盘设计类似水码，目的是减轻产品总重量，组装好后灌水以达到稳底盘的效果；考虑使用锂电池，而不是太阳能电池板，避免因为户外连续阴天造成设备“罢工”；圆柱形的设备主体采用了标准的铝合金型材，这是市面上最常见的建筑耗材，物美价廉使用方便……

“请进行手消毒，做好个人防护。”一台高约1.6米的手消设备立在路边，凡是有人靠近，就会主动发出提示。如果把手伸到喷头下，它会自动喷出一股消毒液水雾。

看似普通的智能设备和简单的机械动作，背后是由一个个精心打磨的细节支撑而成。为了喷准这股水雾，研发团队忙乎了一个多月。“一开始我们采用了最常见的红外线感应，但是在户外环境中测试发现，它经常失灵。”白亮说，有时候飘过一块云，没人伸手，设备也喷液；有时候大晴天，测试人员反复出手，喷头就是没反应。

就在研发陷入瓶颈时，一次偶然的发现给白亮带来了灵感。“开车的时候，我听到倒车防撞雷达的鸣响提示，意识到这和我们的手消设备有相似的工作原理，干脆就用超声波传感器，彻底规避户外光线所带来的干扰。”随后，白亮将这一构思讲给研发人员，经过严格的调控和测试，一个灵敏的超声波感应头被安装在了智能手消站上，可实现每人单次使用不超过2秒的出液速度。

在北京冬奥会和冬残奥会正式上岗前，智能手消站还扛住了疲劳测试。“测试员”是研发团队自己攒的一台设备：运转时，一个模拟手掌的塑料板不停旋转，循环经过两台待测智能手消站。“考虑到未来要在室外使用，所以我们选了最冷的一天，在没有暖气的仓库里进行了测试。”白亮说。

翻开实验记录手册，数据显示，测试环境气温低于0℃，测试从中午一直持续到次日0时30分，两台设备运转顺畅，大约耗费了6袋1000毫升的酒精溶剂。“最后手消站依旧‘忙得起劲’，是测试人员困到扛不住了才停了机器。”白亮笑呵呵地说，眼里满是自豪。

据统计，北京冬奥会和冬残奥会期间，300余台智能手消站在“鸟巢”“冰立方”和奥林匹克公园等区域值守，累计服务超过99万人次。“每天每台仪器的数字日记都会自动回传到运维平台。”白亮说，这台仪器可以实现后台自动控制，已经建成了基于物联网大数据平台的云端一体化管理系统。

这个系统还能实现隔空指挥。工作人员在后台，动动鼠标、输入数字，就可以调整指定设备的工作时间、出液量、感控声音大小等内容，并查看余液量、用电量、环境温度、设备温度、液体温度等数据，实时掌控设备运行状态，准确把握运维需求。

最近，智能手消站还走进了社区、酒店等，工作状态稳定。“经过测试，仪器可以耐酷暑也可以抗严寒，在零下30℃的环境里能正常工作。”白亮说，后台汇总的大数据，也将为防疫措施调整和细化提供数据支撑。比如在一个社区里的3台仪器显示，最初居民因为好奇一天使用了3319次，之后使用更加常态化，每日使用频率大约1800次。“使用频率高的仪器证明所在区域手消需求量大，也是防疫的重点。小区的入口处、小广场附近，居民使用比较频繁。”

在研发团队的办公室里，各式各样的智能手消站排成一列。“原来更换消毒液需要从上面开盖，现在只需要扭动柱身就行了”“这款是可以摆放在桌面的智能手消站，体积更小巧”“这台立式手消站的所有零件都可以拆卸，塞在一个小纸箱里”……白亮说，研发团队会定期总结数据，对智能手消站进行升级，也期待着它们可以走进学校、医院和商业区等人员聚集场所，为更多人提供防疫保障。未来，手消毒有望成为一种新兴的生活方式，引领市民健康卫生出行。

“钢铁战衣”让瘫痪者站起来

在2022年北京冬奥会火炬传递中，一位身穿“钢铁战衣”的火炬手吸引了众多目光。与其他奔跑的火炬手不同，她将火炬固定到胸前的插杆上，双手拄着辅助手杖，迈出稳健的步子。30米，对于高位截瘫11年的杨淑亭而言，漫长而又短暂。而在冬奥舞台亮相，也让外骨骼机器人被更多人看到。未来，这套“钢铁战衣”将帮助更多瘫痪者重新自主行走，也将面向老人、青少年等更多群体推出集治疗、康复、锻炼于一体的智能服务。

这套外骨骼机器人有个“有爱”的名字——大艾机器人，它的研发源于一个梦想：“让重症肢体残疾人能够从轮椅上站起来，走起来。”北京航空航天大学生物医学工程高精尖中心外骨骼实验室主任、北航生物与医学工程学院研究员帅梅是大艾的创始人，自2003年起，在清华精密仪器系攻读博士后的她便开始了仿人机器人研究。

当时，研究如何让机器人模仿人行走是帅梅团队的一大重要课题。“为了让机器人在崎岖路面上不摔倒，我们花了不少功夫。”帅梅解释，对人而言，脚下突然遇到凸起，就条件反射，甚至能够瞬间调整重心避免摔倒，这源于自我保护的本能。然而，让机器人习得这种“本能”却不容易。

帅梅团队的策略是通过算法计算机器人脚底受力，再依此来调节腿和躯干的步态。为了检验机器人应对各种复杂路况的能力，团队定制了一批5毫米到2厘米形状、大小不等的障碍片。“测试时，我们往地上随意撒一把障碍片，观察机器人在上面行走时的细微反应，从而修改算法。”从不摔跤，到不停顿、不打滑，机器人在一次次测试中实现了对崎岖路面做出自然的肢体反应。

“科研要为更多人服务”，本着这一理念，帅梅将仿人机器人的研究转向医疗器械领域，以期能做出有实际应用的研发。在北航校园里，她经常看到行动不便的退休教师，在路上蹒跚前行，自己的母亲年纪也越来越大，腿脚逐渐不便。于是，她将目标锁定在研发一款帮助老年人和下肢瘫痪患者恢复行走功能的机器人上，从此开启了外骨骼机器人的研发之路。

“为了研究步态，我常在路上观察行人走路的姿势。”帅梅边说边模仿，她脚底紧贴地面，左右脚挨在一起，依次向前挪步——某天，她看到一位老人想要跨越台阶，这个对年轻人来说根本不算障碍的小坎儿，却卡住了老人的脚尖，导致摔跤。“我当时就在想，一定要做出一款帮助老人锻炼腿脚的机器人，让他们拥有一个健康自如的晚年。”

经过调研，帅梅发现，千人千病，要想真正帮助到老年群体，就得从医学层面入手，找出导致老人行走不便的根源，再让机器人对其进行有针对性的康复训练。肌肉协调能力弱、关节活动度小、帕金森罕见病……研发团队翻阅医书、请教医学专家，针对不同的身体状况制定训练方案，通过调整机器人的使用时长、频率、助力等参数，达到锻炼效果。

帅梅的母亲是首批体验者。“母亲每周用机器人保持锻炼两到三次，现在88岁了依旧健旺，爬山爬楼都不在话下。”对于行走不便的老年人来说，外骨骼机器人是健康晚年的保障，而对于下肢瘫痪的病人来讲，大艾可能成为生活的希望，是照进生命中的一束光。

“我这15年活得不如这5天。”帅梅清晰地记得，4年前，15岁的小姑娘安琪对她说的这句话。出生半个月就被确诊脑瘫，两岁时被医生告知日后仅能坐起来，双手仅能做类似合掌的简单动作，安琪比喻自己的状态是“脑细胞无法支配身体的零件”。然而，她仅训练了5天，就可以穿戴外骨骼机器人拄拐自主行走了。

让安琪体验“独立行走”的机器人大约20公斤重，是一套可穿戴的人工智能型装置，有保护、感应肢体活动、驱动机械关节重现动作、提供额外动力的作用。它还有一颗“智慧大脑”——能感知到使用者行走快慢等主观意愿，通过科学地调节行走速度、步态，完成爬楼梯、上下坡、进出电梯等复杂动作。

“很多人都有一个误区，认为外骨骼只要能让瘫痪患者站起来走几步，就解决问题了。”帅梅解释，普通人拥有自主平衡的能力，外骨骼则是要教会患者在步行的动态中保持平衡，最终摆脱外骨骼，自主行走。如今，在大艾的帮助下，安琪的双腿已经学会了走路，并能借助拐杖行走一段路程。

如此智能的“大块头”，一定很贵吧？“我们的目标是让大艾走进更多人家，做百姓用得起的智能机器人。”帅梅介绍，2020年6月，团队推出了普惠版机器人。这些年来，大艾在优化功能和采用优质材料的基础上，一直在降低成本。“现在，老年人可以在北京的社区医院使用医保接受治疗，二级以上残疾患者还有康复补贴。”

如今，帅梅仍会亲自教患者怎样使用机器，帮他们调节穿戴设备，陪伴他们重新站起来。她说，有一位病人瘫痪18年了，通过穿戴大艾下肢的感知正在恢复，力量也一点点练出来了，他对自己很有信心。“看见他们站起来，我也会跟着高兴。”

“永不融化”的冰雪引来八方客

晶莹的一块“冰”，摸上去冰冰凉凉；使劲儿戳一下，凹了一块，但很快又回弹了；在手掌里随意揉捏，触感宛若一块弹性极佳的果冻，“冰”随心动，丝毫没有融化的痕迹。这种“冰”拥有20多项科技专利，是北京理工大学宇航学院教授张凯团队研发的凝胶冰雪，“永不融化”是它最大的特点。

“4年前的一天晚上，我收到学校发来的一封邮件，鼓励教师们积极发挥科研优势服务北京冬奥会。”张凯骄傲地介绍，“我们学校的老师有科技报国的传统，所以我第一反应就是得参与。”

张凯团队此前一直从事航天和水下大型装备减震降噪的研究，深耕水凝胶等新型固体材料领域多年。“从自己擅长的领域出发，打造一款人工冰雪，让大家可以不受时间和空间的限制，随时享受到冰雪的乐趣。”团队的研发初衷简单且美好。但实际操作起来，即便已经积累了丰富的科研经验，他们仍需面对一个个困难，甚至经历了多次推倒重来。

将水凝胶和冰雪产业结合，在世界范围内是首创。“尽管水凝胶领域研发已经发展了十多年，但由于用途和需求不同，技术攻关的难题也变了。”张凯举例，水凝胶在生活中应用很多，比如人们做B超时，涂抹的是偏液体的凝胶；在深海领域研究的凝胶，更关注其透声性质；与冰雪运动结合后，凝胶既要在冷冻后和冰一般剔透晶莹，具有最接近冰的摩擦系数和硬度，又要在常温下具有较好的拉伸性和韧性，避免在使用过程中一碰就碎。

“凝胶冰雪90%以上的成分都是水，和自然冰雪具有基本相同的视感和触感。”张凯说，它的“神奇”之处在于，如果升高温度，自然冰雪会迅速融化成水，而凝胶冰雪即使在升温状态下依然能够保持固体形态。

“普通的冰在超过冰点后会融化，但在高聚物网络的作用下，融化后的水会被牢牢锁在网络中。”张凯揭秘，这也是“永不融化”的原因，其秘诀深奥且专业。简单来讲，就是科研团队凭经验和科学分析先找出几款基础材料，通过光、热等方式使材料发生化学反应，制备出凝胶材料，再去测试这种新材料的拉伸强度、摩擦系数等力学属性是否能达到标准。选择、实验、测试……张凯把研发过程轻描淡写地描述成几个步骤，可在这背后，团队反复进行了上千次试验，研发出了近100种配方。

“此前我们研究水凝胶都是在实验室里，用普通医用注射器混合原材料，从而达到加速混合的效果。”张凯边说边拿出一块拇指大小的凝胶冰雪，“想要在冰雪嘉年华上应用，就要掌握建造冰场和雪屋的大尺寸凝胶冰雪制备工艺，对材料的力学属性也有了更高的要求。”

同时，考虑到孩子们会在冰雪嘉年华上与凝胶冰雪“亲密接触”，新材料一定得是无毒无害的。张凯补充，在调整配方的基础上，团队特意使用了生物相容性材料，制备全过程不仅对人体无害，还对环境友好，可降解。不仅如此，这种“冰”还要便于携带和组装，“常温下可以像卷铺盖似的，一卷就带走。若加上制冷机组，它摇身一变就能成为一片冰场。”根据凝胶冰雪的实际使用需求，团队为研发层层加码，再逐一攻克，最终研发出一种由多种材料聚合反应而成、含亲水高聚物网络的凝胶冰雪。

除了在冰雪嘉年华上“发光发亮”，团队还为凝胶冰雪创造出了更多有趣的应用，比如制成冰雪咖啡杯，具有不融化、不失型，韧性强、不易摔碎的特点，还能重复使用。当顾客往一只精美的冰杯中倒入热腾腾的咖啡，不一会儿，咖啡降温了，冰杯则变得软糯Q弹，这样的场景颇具网红打卡点的潜力。

未来，凝胶冰雪有望成为推动冰雪行业快速发展的新一代材料。“从前的人工冰雪生态较为单一，推广性不足。因为用传统的水冻冰的模式去建造冰雪娱乐设施，造价高，能源消耗大，对制冰本身也有很多要求。”张凯说，凝胶冰雪大大降低了场馆建设费、制冷设备费、人工费等。这种新材料不像真冰一样容易开裂，遇热不会融化，人们可以尽情触碰。

北京冬奥会期间，这款凝胶冰雪在中国科技馆亮相，受到小朋友们的喜爱。不少地方政府、冰雪场馆、高科技企业等通过网络了解后，登门拜访，希望引入凝胶冰雪，推广凝胶冰雪的产业化。张凯透露，来自广州、上海和三亚等很多城市的冰雪运动爱好者，想把这款不融化的冰雪带到南方地区。“希望它能成为北京冬奥遗产的一张金名片，让更多地区的孩子们感受到冰雪运动的魅力，在未来发挥更大的作用。”

（来源：北京市科学技术委员会）