实践探究 8. 利用家中常见材料，如纸盒、风扇、电池、马达、绳子等，制作一个简易的人工智能模型，并探究其物理原理。比如，制作一个类似无人机的纸盒飞行器，安装风扇作为动力，探究风扇的不同位置、转速对飞行器稳定性和飞行高度的影响；或者制作一个简易的爬行机器人，用电池和马达提供动力，用绳子模拟机器人的“腿”，探究机器人爬行时受到的摩擦力、平衡力等。记录实验过程中的现象和数据，分析这些模拟实验与实际人工智能产品中的物理现象有哪些相似点和不同点，思考如何利用物理原理优化人工智能设计，将探究过程和结论整理成报告。

解：
# 简易纸盒飞行器探究报告
1. 实验器材
轻质硬纸盒、2台小型直流马达、配套螺旋桨风扇、3V可调速电池组、热熔胶、刻度尺、配重小铁块。
2. 实验过程与数据记录
(1) 控制变量：保持飞行器总质量、风扇转速不变，改变风扇安装位置：
| 风扇安装位置 | 实验现象 |
| ---- | ---- |
| 对称分布在纸盒重心正上方两侧 | 机身无倾斜，顺利起飞，可稳定悬停，最大飞行高度0.42m |
| 单侧偏离重心2cm位置安装 | 机身立刻向对侧倾斜侧翻，无法升空 |
| 对称分布在纸盒重心下方两侧 | 起飞后机身不断上下抖动，1s后坠落 |
(2) 控制变量：保持风扇安装在重心正上方对称位置、总质量不变，调整供电电压改变风扇转速：
| 风扇相对转速 | 实验现象 |
| ---- | ---- |
| 30%额定转速 | 升力小于总重力，飞行器静止在桌面 |
| 60%额定转速 | 升力略大于总重力，飞行器缓慢上升，最终稳定在0.5m高度悬停 |
| 90%额定转速 | 升力远大于总重力，飞行器快速冲高到1.3m，机身出现明显晃动 |
3. 物理原理分析
① 力的作用是相互的：风扇转动时向下推动空气，对空气施加向下的力，同时空气对风扇施加向上的反作用力，即为飞行器的升力。
② 二力平衡条件：当升力与飞行器总重力大小相等、方向相反、作用在同一直线时，飞行器受力平衡，可保持静止悬停状态。
③ 力矩平衡规律：升力的合力作用线穿过重心时，升力和重力不会让机身产生转动，飞行器姿态稳定；若升力作用线偏离重心，两个力会让机身绕重心转动，发生侧翻。
④ 力可以改变物体的运动状态：当升力大于重力时，合力向上，飞行器向上加速运动，飞行高度升高。
4. 与实际无人机的异同点
相似点：二者都依靠风扇推动空气获得向上的反作用力作为动力，都通过改变风扇转速调整升力大小，以此控制飞行高度，都需要保证升力合力穿过重心来维持机身姿态稳定。
不同点：简易模型没有自动姿态检测装置，受到气流干扰后无法自动调整转速修正姿态，很容易失控；实际无人机搭载姿态传感器，可实时调整不同旋翼的转速，自动抵消机身倾斜，抗干扰能力更强，同时实际无人机的气动外形经过优化，受到的空气阻力远小于纸盒模型，飞行效率更高。
5. 优化方案
1. 在飞行器底部加装可移动的小配重块，利用二力平衡原理，方便快速调整整机重心位置，让升力合力始终穿过重心，提升飞行稳定性。
2. 将2风扇结构改为4风扇对称分布结构，通过调整不同位置风扇的转速，产生抵消机身倾斜的转动力，利用力可以改变物体运动状态的原理，提升飞行器抗气流干扰的能力。
3. 将纸盒的棱角打磨为圆弧流线型，减小飞行过程中受到的空气阻力，提升升力利用效率。