通讯员张汇
“瞧这机械臂，小巧精致，整个装置简洁美观，正合年轻人的品味。” 在第七届中国高校智能机器人创意大赛上，js官网 2022 级王芷嫣团队设计的 “茶和天下” 全自动智能沏茶机，巧妙地将传统茶艺与现代科技融为一体，实现了泡茶过程的高度智能化与自动化，一举斩获金奖。
“中国茶具市场前景广阔，且呈现出年轻化趋势，国家‘十四五’规划也强调要发挥我国茶产业优势。当时2021solidworks级机械工程的陈典学长提出了研发沏茶机的创意，我们和他讨论后得到认可，项目就此敲定。” 王芷嫣介绍道。项目确定后，团队旋即投入第一代产品的设计，但过程充满坎坷。
完善！改进！雕琢！
传统泡茶方式，要么聘请茶艺师，泡出的茶味道上佳，但成本偏高；要么使用沏茶机，成本虽低，可茶味却千篇一律。王芷嫣团队设计的第一代产品，将功能放在首位，涵盖放料、泡茶、清理等一系列功能。然而，因技术难度过大，实际可操作性较低。“第一代产品的机械结构太过复杂，冲泡结构与其他环节无法协同，操作也复杂。” 王芷嫣回忆说。
王芷嫣团队多次向汤勃、孙伟两位指导老师请教，询问如何简化产品的机械结构使其易于实施。“指导老师建议我们把冲泡结构装置换成机械臂，一个机械臂可同时完成下料、冲泡等流程，这样就能很好地模拟茶艺。” 王芷嫣于是着手用 CAD 设计机械臂，可体积与性能的平衡却成了棘手难题。
2023 年 8 月，王芷嫣团队发现第三代产品体积过大。团队尝试改进却一时无果，“机械臂装置太大不符合比赛要求，太小又可能在运行时出现无法冲泡的故障。” 王芷嫣表示。为解决问题，团队在网上查阅大量资料，包括市场上主流的沏茶机机械装置、相关论文等，但均无所获，甚至考虑过取消机械臂装置。“机械臂过于笨重，但实现茶艺又必须依靠它。”
正当团队苦恼之际，指导老师提出可将机械臂的功能分散到各个装置中，团队顿时茅塞顿开。“之前设计只考虑了机械臂，改进时我们着重构建机械臂与其他装置的联系，让各道工序不再以机械臂为主导。” 王芷嫣说道。团队使用solidworks和 keyshot 等建模渲染软件，经过五六十次尝试后，决定将机械臂分散为下料装置、茶杯组装置、盖碗泡茶装置、机械臂装置等。“第四代机械臂兼顾了体积与性能，改进过程也让我对建模软件的运用更加娴熟。” 王芷嫣回忆道。
创新装置 融合茶艺精髓
在改进机械臂过程中，团队遇到一个关键问题：如何将古老茶艺与新机械相结合？前代产品通过机械臂能轻松实现诸如 “高冲低洒”“关公巡城” 等专业茶艺师的手法，但改进后的产品将机械臂分散为多个装置后，这些手法很难实现。如何破解？王芷嫣看着《机械原理》有了新思路：“‘高冲低洒’就是要让茶水在高处聚集，然后在低处散开，所以我们考虑用丝杆转动和变流器来实现这个功能。”
“变流器连接在丝杆上，电机驱动变流器上下运动，在高处时，机械臂装置切换为定点出水模式，将水聚集成水柱，实现‘高冲’；在低处时则自动切换为喷雾模式，实现‘低洒’。” 王芷嫣说道，“此外，泡茶时，弹簧装置会使茶壶上下倾倒三次，模拟传统茶艺中的‘凤凰三点头’；随后行星轮系带动茶盘旋转一圈，寓意‘关公巡城’；锥齿轮组使茶杯倾倒，实现‘韩信点兵’。”
反复实验 探寻最优方案
王芷嫣所在团队还设计了泡茶 app，“我们设计 app 时，首要考虑用户喝茶的体验，所以设计了茶的类型、温度、用量等模块，让用户能随心所欲地 DIY。” 王芷嫣说。但一开始，机器泡出的茶味道不是太淡就是太浓。
“每次供给的茶量和水量比例不是过高就是过低。” 王芷嫣回忆道。为找到最佳味道，团队反复试验。“团队成员尹子浩每次都守在机器旁，用纸笔记录茶叶量和水量，泡完后还要品尝两口反馈味道，最多的时候一天要跑七八趟厕所。” 基于实验结果，李世康不断改进 “基于茶叶重量的茶量算法”，最终得出每 200ml 水最适宜的茶量为 4.8g。
团队还创新性地设计了食材模块，用户可选择将茶与水果、牛奶、蜂蜜等食材搭配。“尹子浩有一次品尝茶味时，无意间说‘这茶味太淡了’，我们突然想到年轻人也喝茶。” 王芷嫣笑道，“年轻人更注重饮品的口感和新鲜感，所以我们尝试将各种食材加入茶水中，一方面能吸引年轻人选择我们的产品，另一方面可满足用户多口味、多季节的需求。”
据悉，王芷嫣团队正考虑申请相关专利，并与公司合作将产品推向市场。“我们准备先做市场调研和竞品分析，之后重点宣传产品茶艺展示的亮点，让产品走进千家万户，使茶文化更广为人知。” 王芷嫣说道。“这台机器设计紧扣茶文化，创新点突出，功能齐全，自动化程度高，适合各年龄段用户。” 指导老师孙伟评价道。
