12个一等奖、19个二等奖和17个三等奖,松江学子“AI奥林匹克”收获满满

2021-12-29 15:22:55 文章来源:网络

经过5个月线上线下的评审,首届长三角青少年人工智能奥林匹克挑战赛(简称“AI奥林匹克”)近日落下帷幕,松江学子斩获12个一等奖、19个二等奖和17个三等奖。

大赛分“算法擂台”和“无人驾驶”两大主赛道,设“直播间”“新视界”“社团秀”“云学堂”“实验室”“展示会”“虚拟冰壶”“大挑战”和“创想飞行”九大嘉年华展示区,围绕体验AI、挑战AI、创想AI三大维度为青少年提供了了解、学习、应用人工智能技术的机会。上经贸大附校花园分校、松江二中、九亭中学、上外松外在比赛中表现不俗,分别荣获“算法擂台”“大挑战”“创想飞行”一等奖。

人工智能创意与德育能擦出怎样的火花?在“创想飞行”挑战项目中,上外松外参赛团队利用编程无人机结合场景道具,演绎了我**天事业的辉煌,剧情化再现了2021年5月15日祝融号成功抵达火星时的情形,呈现了“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的载人航天**神。在剧情解说中,参赛学子骄傲地说:“‘祝融号’抵达火星具有世界**意义,**成为世界上**个首次发射就完成环绕、着陆、巡视三大任务的**。”

在上外松外科技总辅导员温胜利看来,**们在备赛参赛过程中也发扬了载人航天**神。她透露,为了达到**的无人机飞行效果,参赛**曾在区青少年活动中心模型科技教师的指导下,在暑假花了一个多月不断尝试,**终才“一飞冲天”。

上经贸大附校花园分校科技辅导员王伟伟对此深表认同。他以“算法擂台”项目为例介绍,大多数**都对“人工智能”感到很陌生,拿到赛题后几乎是毫无方向。为了攻克比赛难关,大家花了大量时间研读比赛要求、制定训练计划,还深度学习了相关的算法原理,并开展线上集训,不断改进算法策略。无论是数据标注与增强处理,还是算法调试,团队成员都全力以赴,表现出了良好的合作能力。

“通过这次比赛实践,我们获得的不仅是荣誉,还有对人工智能这类科技前沿概念的全新理解与认识。”“算法擂台”一等奖获得者、松江二中**徐晶轩直言,**骼提取、生成虚拟人物动作、语音合成……从理论学习到实践落地,备赛参赛过程十分有成就感。

据了解,“AI奥林匹克”是一项以“培**具有人工智能思维,培育具备科学家潜质的青少年**体”为宗旨,以“创造、实践、快乐、分享”为理念的青少年大型人工智能教育项目。此次比赛由上海市教育委员会主办,上海市科技艺术教育中心、上海人工智能教育共同体、上海市人工智能行业协会等多家单位共同承办,共有来自长三角三省一市9个城市的千余所中小学校参加,参与人次超50万,参赛队伍超千支,**终评出“算法擂台”“无人驾驶”“展示会”“虚拟冰壶”“大挑战”和“创想飞行”六大项目板块一、二、三等奖共计1037名。

■记者 王梅 区教育局供图

■文字编辑 贾丽 许萍

■栏目责编 李翔 ■栏目主编 周样波

来源:上观

北京时间12月25日20时20分,在世人的瞩目下,数千名科学家与工程师花费20余年**心设计与建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜,终于在库鲁航天发射中心使用阿里安-5大型运载火箭发射升空。

阿里安-5火箭携带“韦伯”升空如果你站在直径6.5米的韦伯太空望远镜前,一定不敢大声喘息。这部望远镜拥有18片一尘不染的镀金主镜片、5张薄如蝉翼的聚酰亚胺隔热罩、低至-223摄氏度的工作温度和97亿**元的制造成本。它是人类迄今为止制造的**大、**复杂、**强劲、**具有想象力的太空望远镜,简称JWST。

阿里安-5火箭携带“韦伯”进入太空想象图

“韦伯”标志**外观——18片六边形镀金铍镜组成的主镜“韦伯”部署后可以替代年事已高的哈勃太空望远镜。与专注于可见光波段的“哈勃”不同,“韦伯”可以看到波长更长的中红外波段,同时具有更高的灵敏度与分辨率。它可以看到宇宙中****远的事件和**遥远的物体,并在天文学和宇宙学研究前沿大放异**,对推动整个人类社会的进步有着重大意义。

光学设计:尽带黄金甲

光学望远镜模块(OTE)是“韦伯”的主要结构之一,由望远镜的主镜、次镜、三级反射镜、**细转向镜、望远镜框架及其控制装置等结构组成。OTE好比整个“韦伯”的眼睛,其原理是三镜消像散望远镜:光线首先由主镜汇聚并反射给次镜,次镜进一步将光线传递给处于望远镜中心的三级反射镜,而后经过**细转向镜传递给综合科学仪器模块进行光线的接收与处理。

“韦伯”光路示意图

“哈勃”与“韦伯”主镜对比示意图“韦伯”**吸人眼球的是那18面金光闪闪的六边形主镜。这是一面直径6.5米的镀金铍质反射镜,总面积达到25.4平方米,是“哈勃”的6倍以上。对望远镜来说,口径即真理,“韦伯”的观测能力与“哈勃”相比有巨大提升。“哈勃”拍摄著名的“超深场”图像时,一动不动地指向太空中同一个地方,连续拍摄了16天才捕捉到那令人难以置信的微弱、遥远星系的图像。与之相比,“韦伯”将在短短7小时内完成类似的观测任务。

“哈勃”超深场图像是人类拍摄过迄今为止****远宇宙的照片,其中有132亿年前的古老星系。“韦伯”将会拍出更加震撼的图像。质量方面,“韦伯”的总重约6.5吨,只有“哈勃”的一半,但体积却比“哈勃”有明显提升。其中,“哈勃”主镜为玻璃材质,总重828公斤,而“韦伯”则选用了元素周期表里第四个元素——金属铍,它具有极低的密度,使巨大的主镜重量只有705公斤。

此外,铍还有**度较高、热膨胀系数较低等优点,使“韦伯”能够胜任工作条件下巨大的温差,而不会产生过多的热胀冷缩。“韦伯”的铍镜表面利用气相沉积技术喷涂了100纳米厚的金层,尽显奢华,因为金可以很好地提高红外光反射率,起到更好的成像效果。**后,工程师在金层外面又喷涂了一层极薄的二氧化硅,以防止柔软的金层被划伤。

2012年,技术人员正在检查其中一片主镜

左:2011年,准备进行低温测试的前六片主镜

右:2017年,准备进行低温测试的OTE模块对主镜的设计与建造是整个“韦伯”工程中**具挑战**的。主镜展开后宽达6.5 米,如果把它做成一面单独的大镜子,对现有的运载火箭来说均太大了。因此,工程师将主镜分割成18块正六边形,在发射前折叠放入火箭整流罩,发射后再展开,异常**巧,是合理利用火箭整流罩空间的设计典范。

因为主镜展开后的**度对望远镜的观测能力有巨大影响,如何保证展开后的**度是主镜设计的难点之一。换句话说,18片独立的镜片在展开后要浑然一体。对此,工程师为每一块镜片设计了6个电动伺服机构(致动器),使每块镜片均能单独调整角度,**高调整**度甚至达到了10纳米,这一尺寸大约相当于人类头发丝的一万分之一。“韦伯”发射后,近红外相机 (NIRCam) 的波前传感器会测量每一片主镜的误差,进而利用计算机算法实现每一块镜片的自动调整。

“韦伯”的次镜、三级反射镜的材质与主镜相同,均为镀金铍镜。其中次镜是一个直径74厘米的圆形曲面,三级反射镜则是一个更小的不对称六边形镜片。光线经过主镜、次镜、三级镜的反射后,由**细转向镜进一步稳定图像,传递给综合科学仪器模块中的四个主要科学载荷,对光线进行分析与处理。

工程师使用干冰清洁次镜

三级反射镜和**细转向镜轨道及热控设计:寒光照铁衣

体温**的原理是测量人体发射出红外线的强度,因为物体的温度越高,向四周辐射出的能量就越强,辐射出来的红外线就越多。如果“韦伯”的工作温度过高,它的镜片等结构自身也会发射出红外线,遮盖住来自遥远星系的微弱红外光。因此,“韦伯”的光学望远镜模块需要在-223摄氏度以下的极端低温中工作。

在太空中对探测器影响**大的热源是太阳,远离太阳便可以降低太阳的辐射量,但过远则会影响太阳能电池板的正常电力供应,并且降低对地通信速率。科学家与工程师找到了一个热量与电源的绝佳平衡点——拉格朗日L2点。

地球与太阳形成的稳定体系中存在5处引力平衡点,“韦伯”便选择了日地拉格朗日L2点作为大本营。只需要微量的扰动,该望远镜就可以长期稳定在L2点附近。在此处,“韦伯”可以将阳光全部“抛于脑后”,将镜面对向没有太阳的天空。

“韦伯”轨道示意图,天体大小未按照真实比例 日地拉格朗日L2点距地球约150万公里,在此处来自太阳、地球与月球的红外线依旧会对红外观测产生影响。为使望远镜温度进一步降低,科学家使出了浑身解数——2003年发射的斯皮策空间红外望远镜也运行在L2点,同时使用昂贵的液氦作为制冷剂,其温度低至-267.7摄氏度。但是,有限的液氦在2009年5月就用完了,导致其工作温度不断上升,此后的观测**能大打折扣。

展开后的五层菱形隔热罩为实现更长的使用寿命,“韦伯”并未使用液氦作为制冷的主要手段,而是携带了五张网球场大小的菱形聚酰亚胺隔热罩。每张隔热罩厚度与人类的头发直径相近,离太阳**近的层厚0.050毫米,其他层厚0.025毫米。

为提高薄膜的反射率,以将更多热量反射出去,隔热罩正反面均附有一层100纳米厚的铝,离太阳**近的两层还掺杂了硅,这是这两层材料显现出淡紫色的原因。每层隔热罩均可以阻挡约90%的热量,五层协同工作可以使两侧的温度差达到约300摄氏度,为望远镜主要结构提供-223摄氏度以下的工作温度。

“韦伯”的隔热罩原理示意图与望远镜相同,巨大的隔热罩是不能以展开状态放入火箭整流罩的。完全展开的隔热罩长约21米,宽约14米,在发射前它将像折纸一样小心地折叠12次,在发射后通过复杂的机械设备按部就班地展开到位。

正在手工折叠的隔热罩

折叠完毕的“韦伯”,左右淡紫色的是隔热罩遮阳板可以将望远镜的镜片等结构温度降至-223摄氏度以下,但该温度对于科研探测设备来说还是偏高。三部近红外成像仪将通过被动冷却系统在大约-234摄氏度下工作。中红外成像仪的要求更加苛刻,它的工作温度低至-266摄氏度,在它身上只能通过液氦进行冷却。不过,它对于液氦的需求量远低于斯皮策空间红外望远镜,液氦资源不会过于捉襟见肘。

发射流程:只影向谁去

“韦伯”使用欧空局研制的阿里安5大型运载火箭,在法属圭亚那库鲁航天发射中心发射升空。前面已述,“韦伯”的光学结构与隔热结构均是折叠的,发射后需要展开。

此外,“韦伯”还有太阳能电池板、通信天线等至关重要的仪器设备需要展开后才能正常工作。因此,发射后的“韦伯”不能立即工作,还有6个月的在轨部署与测试工作等着它。

“韦伯”的太阳能电池板下图显示了“韦伯”发射后在轨部署的全流程工作。起飞26分钟后,火箭完成任务,“韦伯”独自踏上去往日地拉格朗日L2点的路(A)。紧接着,它的太阳能电池板将会首先展开(B),毕竟充足的电源是日后所有工作的基础。两小时后它会转动通信天线,对准地球(C)。

下一步是隔热罩展开。发射3天后,主镜前后的隔热罩托盘先后打开(D/E),光学望远镜模块整体抬升,以与隔热罩拉开距离 (F)。下一步将会展开一面不太起眼的襟翼(G),它的作用是平衡巨大隔热罩承受太阳风的压力,可以**大限度地降低任务期间的燃料用量。**关键的步骤便是将五层隔热罩展开到位并张紧(H/I),这个过程耗时两天。**后,每层隔热罩之间还需要分开一定的距离,起到更好的隔热效果(J)。

“韦伯”在轨部署全流程示意图 制图:杜骏豪 随后进行光学望远镜模块的展开工作,此步骤耗时4天。首先会将次镜的长臂打开,使次镜到位并锁紧(K)。然后会将望远镜背部的仪表散热器展开(L),该散热器承担着红外成像仪等关键科研仪器的降温工作。**后两天依次展开左右两边的主镜(M/N),所有的在轨展开工作便大功告成了。

在这个环环相扣的繁琐环节中,任何一个环节出现问题都将对“韦伯”的工作**能产生影响。因为拉格朗日L2点距离地球较远,我们没有机会派载人飞船前去维修,所以一切工作都要在地面试验完成,以确保万无一失。

之后是望远镜漫长的整体调试期,耗时至少6个月。工程师和科学家将确认每台科研仪器都在正常工作,并对18片主镜进行调试,使其达到**佳聚焦能力。

任务目标:欲穷千里目

综合科学仪器模块(ISIM)承担着“韦伯”的科研探索工作,一共由4款主要仪器组成,分别是近红外相机(NIRCam)、近红外光谱仪(NIRSpec)、**细制导传感器/近红外成像无缝隙光谱仪(FGS/NIRISS)、中红外仪(MIRI)。

左上:NIRCam 右上:FGS/NIRISS 下:MIRI的核心感光元件近红外相机、近红外光谱仪均可以观测0.6到5.0微米的波段,近红外相机还承担着18片主镜的在轨测试与校准任务。**细制导传感器/近红外成像无缝隙光谱仪(FGS/NIRISS)由**细制导传感器、近红外成像与光谱仪联合组成,可以观测0.8至5.0微米的波段。

**细制导传感器是整个“韦伯”的“罗盘”,通过该传感器,“韦伯”能以极高的**度指向需要探索的天空。中红外仪是中红外波段相机与光谱仪的复合体,可观测4.6微米到28.6微米的中长红外波段。它还配备了日冕仪,非常适合观测系外行星。

有了这些波段与原理互补的科学载荷,“韦伯”就化身成一部时光机器。它可以看到130亿光年外的宇宙,观测宇宙**批天体的形成和演化,揭示宇宙**远的历史。

另外,“韦伯”还可以通过观测遥远的原始星系,以确定星系是如何演化的,这对我们反思太阳系如何形成与演化有着建设**意义。在星云中间,有不少低能量褐矮星、年轻的原恒星,因为它们的光芒过于暗淡,只有通过“韦伯”才能观察到它们。因此,“韦伯”将为我们揭示一个由不可见的恒星和行星组成的隐秘宇宙。对于系外行星的探索甚至有助于我们揭开地球上生命起源的疑团。

“韦伯”将为人类解开更多宇宙奥秘“韦伯”作为人类史上**强劲的望远镜,人类已经为它倾注了所有科技、**力与时间。人类的好奇心是**的,它带领我们前赴后继地探寻宇宙起源、生命起源的真谛。“韦伯”就代表着人类**深邃的好奇心,它使人类能够“不畏浮云遮望眼”,带我们看看未曾一见的隐秘世界,为整个人类的科学认知贡献不可泯灭的力量,让我们祝它一路顺风!

文/北京大学青年天文学会 杜骏豪(本文来自澎湃**,更多原创资讯请下载“澎湃**”APP)

来源:澎湃**

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