大多數(shù)情況下，電梯的轎廂載重與配重冗余的質(zhì)量不同。電梯在運(yùn)行過程中，因電機(jī)兩側(cè)質(zhì)量不均導(dǎo)致電機(jī)需在維持配重物與轎廂平衡上消耗大量電能，克服質(zhì)量差做的無用功占了電梯總做功的大部分。如果能減少甚至消除電梯運(yùn)行時(shí)的質(zhì)量差，電梯的耗能將大大降低。

能不能設(shè)計(jì)一種新的電梯運(yùn)行方式，使電梯隨時(shí)保持配重與轎廂載重的平衡，從而節(jié)省電能？對(duì)此我展開了探究。

一、研究思路

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在相同條件下，電梯在轎廂總重與配重平衡時(shí)的運(yùn)行耗電量更少。

尋找能便捷改變轎廂與配重相對(duì)質(zhì)量的方式，如選擇合適的配重物等。通過理論計(jì)算，初步證明電梯新運(yùn)行方式的總耗能更低。

設(shè)計(jì)制作采用新運(yùn)行方式的電梯模型，通過測(cè)試驗(yàn)證該方式的總耗能是否低于原有運(yùn)行方式的總耗能，最后對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

二、設(shè)計(jì)方案

在電梯底部加裝配重水箱，用連通器連接兩個(gè)水箱。水箱內(nèi)的蠕動(dòng)泵可通過調(diào)節(jié)轎廂總重與配重的相對(duì)質(zhì)量以保持平衡。控制水流，保證配重不會(huì)隨意變動(dòng)。

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在原有電梯的結(jié)構(gòu)上增加測(cè)重模塊、蠕動(dòng)泵、虹吸管與Arduino控制模塊。

（二）程序設(shè)計(jì)

預(yù)設(shè)2個(gè)變量X、Y，X為轎廂質(zhì)量，Y為配重水箱質(zhì)量。當(dāng)轎廂質(zhì)量變化時(shí)，Arduino模塊控制水泵及電磁閥工作，讓轎廂與配重水箱重新保持平衡。

三、設(shè)計(jì)制作

網(wǎng)購(gòu)電梯結(jié)構(gòu)件、Arduino模塊、重量傳感器、蠕動(dòng)泵等，應(yīng)用3D打印技術(shù)打印配重水箱、滑輪、紅外對(duì)射模塊等。之后我做了兩代樣機(jī)，用第一代樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。

（一）情景列舉

單人、多人上樓（從底層至頂層）；單人、多人下樓（從頂層至底層）；多人上樓，中途有人下電梯；單人從頂層開始下樓，中途不斷有人上電梯。

四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

（二）理論計(jì)算

模擬場(chǎng)景為：電梯載人從底層升至頂層，樓層為30層，即每次運(yùn)行上升高度約為100 m。計(jì)算動(dòng)態(tài)平衡耗能時(shí)僅計(jì)算水泵耗能。運(yùn)行過程中若不計(jì)算摩擦力，電機(jī)耗能可忽略不計(jì)，故省略。

計(jì)算電梯在現(xiàn)有方式下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)為克服質(zhì)量差所做的功（未計(jì)算摩擦力）。各模擬場(chǎng)景中，設(shè)定一名乘客的質(zhì)量為50 kg，轎廂質(zhì)量為500 kg，原有運(yùn)行方式配重為750 kg。

由理論計(jì)算數(shù)據(jù)可看出，該機(jī)制運(yùn)行時(shí)方式單一，且在部分情況下耗能大于原有運(yùn)行機(jī)制耗能，故需針對(duì)不同載重設(shè)計(jì)不同的運(yùn)行方式。經(jīng)過研究計(jì)算，針對(duì)部分情況以及電梯在實(shí)際生活中的運(yùn)行方式，整理出一套包含多種運(yùn)行情況、運(yùn)行總體耗能低于原運(yùn)行方式的機(jī)制。

（三）實(shí)際運(yùn)行測(cè)試

該實(shí)驗(yàn)是為了證明：電梯在轎廂質(zhì)量與配重平衡時(shí)的耗能低于轎廂質(zhì)量與配重有質(zhì)量差時(shí)的耗能。實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)為：載重500 g，運(yùn)行時(shí)質(zhì)量差為500 g，無質(zhì)量差時(shí)載重與配重均為500 g。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

電機(jī)運(yùn)行無質(zhì)量差時(shí)的耗能低于電機(jī)運(yùn)行有質(zhì)量差時(shí)的耗能，即轎廂質(zhì)量與配重平衡時(shí)的耗能低于轎廂質(zhì)量與配重有質(zhì)量差時(shí)的耗能。

五、改進(jìn)設(shè)想

利用人工智能將運(yùn)行時(shí)的耗能進(jìn)一步降低，且在出現(xiàn)緊急情況時(shí)（如停電、火災(zāi)、地震導(dǎo)致電機(jī)停運(yùn)）利用備用電池供電，將電梯?？恐涟踩珮菍?。

六、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）將原有電梯的配重方式改為動(dòng)態(tài)平衡，大大降低了電梯運(yùn)行中的耗能。

（二）將電梯配重物換成液體，便于調(diào)節(jié)轎廂總重與配重的相對(duì)質(zhì)量。

（三）通過連通器連接電機(jī)兩側(cè)用來配重的水箱，這樣可在部分情況下無需利用水泵調(diào)節(jié)配重，從而節(jié)省部分電能。（指導(dǎo)老師：張才友）

專家點(diǎn)評(píng)

覃呂同學(xué)的基于連通器原理的電梯動(dòng)態(tài)平衡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一件富有原創(chuàng)性的發(fā)明作品。這項(xiàng)作品的選題與解題方式是基于“求別解”的發(fā)明思路，即用全新的原理、方法、結(jié)構(gòu)或材料解決已有的課題，使其更具時(shí)代感并超出原有的效果。

“求別解”的典型例子就是電子表的問世。機(jī)械表發(fā)明幾百年之后，人們想使它制作更簡(jiǎn)單、時(shí)間更精準(zhǔn)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，電子表就因這一思路而誕生。而本文中這項(xiàng)發(fā)明的完成，充分體現(xiàn)了覃呂同學(xué)具有良好的創(chuàng)新精神和科研潛質(zhì)，能挑戰(zhàn)原有的思路與方法，給電梯以全新的注釋。

今年6月11日，習(xí)近平總書記給中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授姚期智回信，向他致以誠(chéng)摯問候的同時(shí)，給予了“希望你帶領(lǐng)大家繼續(xù)探索創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)模式，推動(dòng)學(xué)科交叉與前沿創(chuàng)新，打造高水平的人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新基地”的殷切囑托，我們備受鼓舞。同學(xué)們就要像覃呂這樣，通過發(fā)明實(shí)踐，自覺朝著科創(chuàng)人才方向努力奔跑。

（欄目編輯" 秦銀銀）