通讯周报
20170301经济与管理学部《视野》第27期：着眼于实际应用
来源: 经济与管理学部
编者按
任何重大的经济、社会和科技问题，都是相当综合复杂的整体性问题，研究对象的整体性使得任何一个单一学科都无法解决整体性问题。大到上世纪五六十年代国家“两弹一星”工程，小到这篇文章中所讲述的喷灌喷头的研究发明历程，都充分说明了这一点。知识在交流分享中迸发灵感，在与实践应用结合中创造价值，不仅要注重跨学科之间的合作交流，也要注重理论和实践的紧密结合，就像文中所说：“我们作为研究人员往往考虑不到这么多实际使用的问题。我们的视角常限制在自己领域内的科学和工程问题上，专注于根据性能需求来探索新的解决方案。”而市场会告诉你哪里有空白，你的设计哪里还有缺陷，这样，科学家和工程师才能更加有的放矢。教学科研中只有真正做到跨学科交叉融合，注重理论与实践的结合，进一步加强合作共享，才能培养出引领未来的人，才能为推动国家和人类进步提供新的思想、前沿科学和未来的技术，大学的使命和任务也才可以得到实现。
着眼于实际应用：喷灌喷头的研究
2016年10月，经历了两年多反复的设计和试验，王若谦终于将他在麻省理工的研究成果发表在了美国机械工程师协会旗下的期刊Journal of Mechanical Design上。这项研究很可能会对全世界的农业系统产生影响，它为农业生产提供了一种既节约成本又节能高效的灌溉技术，尤其适用于发展中国家。
两年前，王若谦来到麻省理工学院塔塔技术与设计中心。回顾这两年多的工作，王若谦觉得很满意：“论文发表了、专利申请了，还有学生在继续我们进一步的工作，感觉自己非常骄傲。”
王若谦与合作方探讨高效灌溉技术的需求。
图片来源：news.mit.edu/2016/re-engineering-the-sprinkler-1109
来自印度的研究课题
大学的时候，王若谦学的是流体力学。博士期间，他研究河流的泥沙疏浚。2014年8月，王若谦进入Winter教授的“全球工程与研究实验室”开始博士后研究。
“疏浚工程和环境政策密切相关。如果政府不出台政策来管理的话，施工和设计单位是没有责任和动力来改进技术的。所以这个项目得到的社会关注非常有限。而我希望做一个对社会更有帮助、影响更大的研究。就在这个时候，我发现麻省理工教授Amos Winter在招聘新博士后。”
在介绍导师Amos Winter时，王若谦说：“Winter的经历很有意思。他攻读博士学位的经费基本是自筹的。他成功说服了一个顶尖的深海机器人公司来资助他读完这个博士。博士毕业之后，Winter加入了新加坡和麻省理工合作的研究中心进行博士后研究，专攻发展中国家的机械设计难题。他去印度解决农业和医疗方面的机械设计问题，一待就是两年。”
研究高效灌溉技术的项目就起源于Winter的印度之行。“他在印度碰到了灌溉方面的公司，就是Jain Irrigation。这个公司当时正在寻找打破常规方法的解决方案，很困扰。”
王若谦所说的JainIrrigation全称叫Jain Irrigation Systems，是一家年收入达10亿美元的跨国公司，总部位于印度加尔冈。Jain的客户中百分之八十以上是进行小规模种植的贫困农民。受到气候变暖的影响，他们常年面对严重干旱和地下水干涸的威胁，大多数地方的地下水已经无法承载大水漫灌的粗放。更换节水的灌溉方式是他们为数不多的选择。比如，滴灌系统。然而，滴灌系统在大幅降低灌溉用水的同时，也消耗着惊人的能量。印度基础设施落后，很多农村根本没有被电网覆盖。这些地方的自耕小农户们如果想要使用滴灌系统，就必须自己解决能源问题。Jain首先就想到了太阳能。“灌溉系统的能耗很大。想要提高太阳能板的发电量，只能增大太阳能板的面积。这就引出了两个问题，一个是成本高昂且难于维护；再一个就是安全问题。留在田里的太阳能板非常容易被盗，农民需要在田间修建一个专门的仓库把太阳能板锁起来，或者把太阳能板背回家。这大大阻碍了太阳能滴灌系统的推广普及。如果能够通过技术手段降低滴灌系统的能量消耗，减小需要的太阳能板尺寸，就可以大规模推广太阳能滴灌系统。这就是最早的想法。”
滴灌系统示意图
图片来源：gear.mit.edu/projects/drip.html
“跨界”带来的新思路
想减少系统的能量消耗，首先得知道能量都消耗在了哪里。“我们发现一个很有意思的问题。滴灌系统需要如此巨大的能量，是为了平衡田间的流量。滴灌系统在农田里分布着一排排的管子。由于农田的地势有高低，管道内的水流压力会变得不均匀。低洼地水压大流量大，水太多农作物会被淹死；而高地水压小流量小，作物得不到足够的水又会旱死。这样农作物得不到合适的水量，产量就会下降。为了解决这个问题，以色列的工程师发明了一个能够自调节压力阀门。这种阀门可以保证水量在田间均衡分布，但是需要一个大气压的压力驱动它正常工作。而要保证整个田地每个出口的压力在一个大气压以上，就需要强大的水泵，消耗大量的能源。这部分能量需要占到总能量需求的一半以上。如果能减小驱动这个阀门的压力，降低这部分能量需求，就有可能最终解决问题。”
找到了解决问题的关键，接下来就是针对关键点寻找设计方案。“以前的机械设计普遍都是用硬材料来做的，而现在的趋势是用软材料来做，所以我们也是往这个方向去寻找设计思路。”
沿着这个方向，课题组的学生在文献中发现了一个可以保持流量恒定的装置——斯塔林流阻器（Starling Resistor）。“斯塔林流阻器的好处就是驱动它只需要很小的压力，消耗的能量非常少。它之前被应用于心脏方面的研究，在我们之前还从来没有人把它被运用到农业中。”王若谦介绍说，“我们根据这个流阻器的原理设计了我们的滴灌灌水器和一系列的实验。我们发现，只需要0.1个大气压就能驱动斯塔林阻流器来保持田间的流量不变！”
斯塔林流阻器结构示意图，在这个装置中包含一个装在气室中的橡胶软管，当水流流过橡胶软管时，气室中恒定的压强使软管出现一定程度的闭合。当压力增加的时候，软管截面积变小，而当压力减小的时候，软管截面积变大，所以流量有可能维持不变。(图片来源：en.wikipedia.org/wiki/Starling_resistor)
与之前需要1个大气压相比，这意味着平衡田间流量所需的能量只有以前的十分之一，理论上来讲给这部分工作供能的太阳能板也只需要之前十分之一的面积。这就大大降低了灌溉系统的整体投资。“这相当于给这部分系统打了个一折的特价！”。
“但是，更换这个小装置只是减少了驱动系统所需的能量，而维持系统的工作还需要其他的消耗，我们还需要从整体上计算一下这个灌溉系统的耗能是多少，以及包括硬件设备在内所需的投资是多少。目前我们估计可以把总投入降低至少一半，但其他还有一些需要考虑的项目没有被计算进来，比如这个阀门成本会更高、维护费用会增加、使用寿命会变化。对于这些方面的影响，我们还需要做实地实验才能确定。”
偶然中发现的关键设计
通过使用斯塔林流阻器，王若谦和同事们大幅度地降低了驱动灌溉系统所需的驱动压，然而新的问题也随之出现了：怎么才能适应不同流量需求呢？对于滴灌系统来说，流量控制是很重要的一环。不同的农作物品种在不同气候条件下，需水量都是不同的。这就需要设计工程师根据农作物的需水量设计出不同尺寸的灌水器。然而单纯的斯塔林流阻器并不能做到流量调节：“这个装置里水流的压力和流量是相互影响的，压力不同了流量也会发生变化。我们可以根据所用软管的材质和几何结构去推算它所需要的驱动压力的大小，但是流量是多大就猜不到了，设计完之后基本就靠运气。当时也是挺头疼的。”
由于水压和流量的耦合性，想要调整水流的大小，只能通过改用不同形状的管材，然而在一次一次的试验中，王若谦发现这种方法实现起来困难重重：“我们在试验的时候发现，如果这个管子选的太细，就特别容易卡死，因为它就完全闭合了，水流不过去；如果太粗了，斯塔林流阻器调节流量的这个效果就根本不出现。”
一次“犯懒”，解决了这个头疼的问题。
王若谦团队设计的具有针型阀的改良版斯塔林流阻器。
图片来源：http://news.mit.edu/2016/re-engineering-the-sprinkler-1109
“当时是在不停地实验各种不同的设计架构，那时候设计还是很粗糙的。我的设计里只有一个接口。如果完全按照计划我应该设计和制造不同尺寸的接口来连接不同粗细的软管。这需要耗费几倍的时间和制造成本。当时我就犯懒了，直接用粗细管道连接件临时连接不同管道。这么做，我其实已经改变了原设计，增加了管道内的阻力。但是出乎意料，我的实验效果特别好，灌水器每次都成功收缩并自动调节流量。于是我就分析了这个效果是如何产生的，发现引入的连接件里有一个收缩。这相当于人为给它加入一个阻力。受到这个‘意外’的启发，我把这个收缩升级成了针型阀。通过这个针型阀门，就可以人为控制流量了。”
“这个阀门的位置是非常关键的。以前也有人想到过类似的阀门，但是他把阀门放到斯塔林流阻器的上游或者下游去，这样效果就完全不一样了。”
滴灌？喷灌？
滴灌系统水量分布的问题解决了，但是新装置体积太大，并不适合滴灌。这时，Jain的高级工程师向他指出了更加合适的应用方向：喷灌。王若谦的设计在喷灌系统中更能发挥优势。
“要缩小我们这个设计的尺寸是很难的。这涉及到软管的长度、直径以及其他各方面的参数。目前我们的最小极限长度是5厘米左右。如果把这个使用在滴灌上的话，每个滴水的孔都要衔接一个这样的装置，这显然不合适，但是对于喷灌来说尺寸完全不是问题。”
王若谦的设计用在喷灌设备上还有一个先天的优势。喷灌中有一种被广泛应用的喷灌喷头叫做摇臂式喷头。它通过一个外置的摇臂装置使喷管能在喷水的过程中不断转动，以扩大喷洒范围，但这个摇臂本身要消耗额外的能量。而王若谦的设计不需要加摇臂也能有相似的震动效果。
“这个软管本身就会震动，不仅水可以喷得更远，还可以防堵塞。滴灌系统抽出来的河水或者地下水会携带泥沙，这就需要沉淀池或者是过滤网来净化水源，否则清理堵塞或者更换喷头都会提高成本。我们设计的自发振动就可能把堵在那儿的沙子抖脱出来，省了加装过滤系统的费用，这也成为我们设计的另一个亮点。”
“我们作为研究人员往往考虑不到这么多实际使用的问题。我们的视角常限制在自己领域内的科学和工程问题上，专注于根据性能需求来探索新的解决方案。一旦得到灵感，经过设计和实验，我们就想办法来验证自己的想法，拿出可行的设计。而Jain作为跨国公司，面对的是全球的市场，他们知道市场上有哪些类似的产品，哪些方面还有空白，可以及时发现你设计的缺陷，并且帮助你找到新的应用领域。和Jain这样的伙伴合作，我们科学家和工程师就可以更有的放矢。”
如今，Winter实验室已经申请了该发明的专利，正在进行小型田间实验。完成设计研究的王博士也已经离开麻省理工的实验室，前往加州大学伯克利分校，进行气候变化和城市洪水方面的博士后研究工作。开始新的旅程。
（学部办公室选编）
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