“光杀虫、虫杀光”生态杀虫器

　　1.课题提出的背景

　　我们的学校位于湖南省汨罗市。汨罗江水寄托着古代爱国诗人屈原的英灵，他那“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”的探究精神，为学校的人文教育注入了历史的基因，当今的创新时代则促进了学校科技创新活动的与时俱进。在这种学习环境里，我们也变得格外地喜欢“上下而求索”。

　　在2016年的课外科技创新活动中，我们又该“求索”什么创新项目呢？坐在教室里冥思苦想了好几天，也无法寻找到“立意高远”的科技创新课题。后来，我们利用学校开展研究性学习活动的机会，到汨罗市郊进行农村植保环境的调研时，才发现科技创新的好课题就在眼前。

　　在社会调研中得知，在国家鼓励发展循环经济的大势下，汨罗市抓住机会大力发展再生资源利用产业，成为全国知名的工业废旧物质集中处理地。无疑，这一新兴产业给汨罗市带来了巨大的经济效益，但也带来环境污染的负面问题。再生资源产业园内“三废”的长期自由排放，难免对附近的农村水土资源安全问题产生影响。农民反映，农田土壤中存在重金属超标、农残超标、病虫害超标以及土壤塑化等不良问题，影响农作物的产品质量。农民担心生产的稻米因质量问题而难以外销，上市的蔬菜成为“毒菜”。那天，我们在一家蔬菜育苗基地参观，看见农民在翻土晒垡，说是用作播种蔬菜的苗床，他们在翻挖土地和埋下底肥后，还喷洒了些农药。我们问：洒农药不又污染土地了吗？

　　他们说现在土壤里的害虫卵很多，为了幼苗的健康生长，才出此下策。听了农民的介绍后，我们想：有没有不洒农药就能保证苗床清洁的“上策”呢？于是，我们找到了发明创造的大方向。

　　回到学校后，我们上网进行相关信息搜索，再发挥联想，终于使模糊的“上策”变得明朗起来，“光杀虫、虫杀光”生态杀虫器的发明创造课题就此诞生。发明创造需要技术的支持，采用什么技术好呢？从绿色环保、性能先进和操作方便的要求出发，我们决定采用日光和激光作为洁化苗床的武器。在多管激光炮的启发下，我们想到了日光透镜和激光头列阵布局的结构方式。

　　2.题研究的意义

　　选择苗床洁化装置的课题进行研究与设计，虽然直接针对的是蔬菜育苗的需要，但研究设计成果对其他农作物的栽培也具有一定的借鉴价值。如，稻米品质检测中发现有重金属超标的问题，此问题警示人们要采取措施来保护土壤的安全性。土壤的安全性涉及中国这一农业大国的根本。土壤的安全直接影响着食品的安全，也是当今社会可持续发展能不能顺利延续的问题。

　　本课题的研究与设计，具有一定的原创性，因为至今还没有类似的对土壤进行绿色洁化处理的农业机械设备。由于知识、能力和资源的局限，本课题的研究和设计虽然还达不到产品化的程度和要求，但对我国专门从事农业机械设备研发的工程技术人员拓展思维足以起到抛砖引玉的作用。

　　1.研究目的

　　本项目的研究目的，在于针对农村蔬菜培育苗床采用农药洁化土壤的无奈之策，通过科学实验研究利用日光与激光技术消灭苗床土壤表层害虫虫卵和减少病菌危害的可行性，在此基础上设计一种专门的机械装置，维护土壤安全和人们的舌尖安全。

　　2.研究思路

　　在一次野外生物科技活动中使用放大镜观察昆虫标本时，我们发现，强烈的日光经凸透镜聚光后再照射到物体上产生的高热比单纯的太阳光照射能量要高许多。这时我们眼前一亮，为何不利用凸透镜聚光产生的高热来杀灭土壤中的害虫呢！

　　回到学校科技室，我们找来了高倍的凸透镜与火柴头等实验材料，选择一个大晴天，在强烈的阳光下，用凸透镜聚光照射火柴头，调节凸透镜焦点位置，并将火柴头放置在焦点位置，1～2秒后，火柴头立即被点燃，我们高兴极了。聚焦日光束杀灭害虫的初始方案就这样形成了。但是这种方案还必须依赖于有太阳的天气条件，如果长期遇到阴雨天，而农作物的播种期又不能耽搁，那还有什么辅助措施呢？在一本科普杂志上，我们看到了多管激光炮的描述，激光炮的原理是利用大功率的激光器发射激光脉冲来实现对目标物质的烧灼，达到毁伤目标物质的目的，目前在医学、军事上应用较广。我们想，把激光技术加进来，对苗床土壤害虫进行灭杀，就不存在天气条件的限制问题了。于是，我们在网上购置了一种红外光点状激光器，做了点燃火柴头（点燃火柴头的温度要达到260℃）实验，效果非常好。我们带着初步实验结果去请教科技辅导老师，韩老师非常赞同我们的做法，并建议再综合考虑。于是，我们将日光型与激光型的两种能源整合于一体，并将光束的组合排列设计为阵列式，这样双源光束阵列式苗床表层洁化处理装置的原始方案便诞生了，并最终修改、完善成“光杀虫、虫杀光”生态杀虫器。

　　3.装置的总体构思

　　新装置具有杀虫灭菌的基本功能，在作业时需要移动以覆盖整个苗床。在移动功能方面，可以用两种设计：其一，单独移动，即设计单独的行走系统，可人工推动或机械驱动；其二，挂靠移动，即将装置连接在其他专门的农机（如耕地机）上，不需要设计专门的行走系统。本项目设计制作的作品属挂靠式装置。工作时，装置在未播种的苗床上做间歇滚移，日光束和激光束照射苗床土壤表层，利用高热灭杀土壤中的有害虫菌。

　　实验研究是为装置设计提供客观依据的重要手段。我们记录了日光束热效应实验和日光束杀灭虫卵实验。

　　1.记录日光束热效应实验

　　2.日光束杀灭虫卵实验

　　实验时间：2016年4月21日

　　天气状况：晴

　　实验地点：汨罗市一中科技创新实验室前坪（阳光照射量大）

　　实验仪器：太阳聚光光阵排列组合装置，20倍的放大镜一个，以及镊子、土壤样品袋、小铲、小刀、卷尺、记录纸。实验材料：选取有机蔬菜基地苗床土壤表层部分（4月20日计算小地老虎虫卵数为24粒/平方米）。

　　实验过程：

　　①将4月20日上午在有机蔬菜基地苗床选取的表层土壤样本（含虫卵数为24粒/平方米）置于太阳聚光光阵排列组合装置的聚光照射之下。

　　②调整光阵排列组合的高度，使含虫卵的土壤样本正好处于光阵排列中凸透镜的焦点位置，照射约2分钟后，将土壤样本取出，采用淘土法检测虫卵个数，在放大镜下进行观察分析。

　　③计算活虫卵的个数，将实验结果填入报告单。

　　实验结果：通过光阵排列组合装置的聚光照射，土壤样本中活虫卵的个数仅为3个，绝大部分虫卵均被烧焦，现场有煳臭味，虫卵的存活率约12%，灭杀效果达到了88%。

　　实验表明，日光束热效应对蔬菜苗床表层常见虫卵具有灭杀效果。

　　根据装置设计的基本思路，确定装置的总体方案如下图所示。

　　由上图可知，装置主要由日光束阵列转筒、激光束阵列转盘、聚光调节机构、移动支座、齿轮传动机构，以及连接杆等组成。

　　日光束阵列转筒由若干透镜在圆盘上排成阵列，焦距可调，其功能是提供灭虫菌的日光束。激光束阵列转盘由若干激光头在圆盘上排成阵列，焦距可调，其功能是提供灭虫菌的激光束。聚光调节机构采用螺纹调节原理，粗调与微调结合，其作用是将光束聚焦成点，并使之与苗床表层接触。齿轮传动机构用于日光束阵列部件和激光束阵列部件的旋转，提高光束热效应的均度。移动支座主要用来支承其他部件，在动力作用下实现空间的移动作业。

　　1.作品的制作

　　根据设计方案制作的装置如下图所示。

　　根据初步方案的设计，在五金商店购买了部分材料（主要是PVC塑胶板、凸透镜、微型激光器、连接与调节螺钉、连接胶等），在学校通用技术实验室进行制作，制作材料和工具如表2、表3。

　　日光束阵列部件由转筒体与若干凸透镜装配而成，直径为6cm的凸透镜筒水平排列在转筒面板上。旋转凸透镜筒套，可实现调焦。旋转转筒体上的调节螺钉，可使其上下移动，改变与地面的距离。

　　激光束阵列部件由转筒体与若干激光器装配而成，网上购置红外光点状激光器均布在转筒体面板上。旋转激光器筒套，可实现调焦。旋转转筒体上的调节螺钉，可使其上下移动，改变与地面的距离。

　　2.装置的测试实验

　　装置制作完成后，进行了性能测试，测试结果表明，装置达了预期的设计要求。

　　1.主要贡献（创新点）

　　本项目的主要贡献在于：

　　（1）从农村绿色蔬菜种植需要对苗床进行灭虫除菌的现实要求出发，利用日光束和激光束的热效应原理，设计出双源光束阵列式苗床洁化装置。

　　（2）通过实验研究，验证了日光束和激光束的热效应可以清除苗床表层病虫害的假设，为新装置的设计提供了客观依据。

　　（3）解决了提升日光束和激光束洁化苗床效果的关键问题，其技术手段是：其一，采用日光束和激光束阵列布局方式，提高光束能量强度；其二，设计焦距“双调”（粗调与微调）结构，以实现光束的合理入地，提高光束能量效度；其三，光束阵列采用旋作业方式，提高光束能量均度。

　　总之，本项目对解决我国土壤不安全问题，发展绿色生态蔬菜产业具有积极的促进作用。

　　2.进一步改进项目的设想

　　将手动调光调距升级为智能化自动调整。

　　3.收获与体会

　　通过这次科技创新的自主实践活动，我们深深体会到从事科技创新的艰辛和获得成功的喜悦，只要平时多观察、勤思考，不怕吃苦和失败，我们学生同样可以搞发明创造。在实践体验中，我们还学到了很多书本上没学到的知识和科学研究方法，增强了动手能力和观察能力，提高了科学素养。

　　在研究与设计过程中，得到了学校老师（特别是科技辅导老师）和校外专家，以及帮助作品制作的师傅们的指导和帮助，在此一并表示衷心感谢。本文来自《中华卫生杀虫药械》杂志