Inženierzinātnes aizraušanās

Braukšana ar galvu pāri stūrei pa kalna veloceliņu nobiedētu jebkuru. Taču Anette Peko Hosoi, ietriecoties ar velosipēdu Hailendas kalnu divriteņu parkā Nortfīldā, Ņūhempšīras štatā, arī deva adrenalīna pieplūdumu un galu galā arī inženiera ieskatu: kas būtu nepieciešams, lai izstrādātu labāku velosipēdu?

Joshua Slocum '10, MEng '11, (pa kreisi) un Folkers Rojas '08, SM '11, (pa labi) saņem kaitborda nodarbību no instruktora Kanahas pludmalē Maui.

Savā pirmajā braucienā uz parku — pārbūvētu slēpošanas kūrortu, kurā velosipēdisti ar krēslu pacēlāju uzbrauc 600 pēdu augstumā līdz virsotnei – Hosoi, MIT mašīnbūves profesore, ar krosa velosipēdu izmēģināja stāvās, granīta sienas takās ar aizraujošu. slikti rezultāti.

Viņa atceras, ka tajā dienā es pārgāju pāri stūrei astoņas reizes. Un es domāju: 'Tas ir lieliskākais, ko jebkad esmu darījis! Iedomājieties, ja man būtu pareizais velosipēds.
Sasitusi un asiņaina viņa sāka internetu, tiklīdz atgriezās mājās, meklējot kalnu velosipēdu. Viņa atklāja dizainus, kas bija visā kartē: amortizatori, priekšējās piekares sistēmas un stūres mehānismi dažādiem velosipēdiem bija atšķirīgi, un nebija skaidrs, kā šādas funkcijas ietekmē veiktspēju.

Tolaik Hosoi pasniedza mehānikas un materiālu kursu, un viņa iepazīstināja ar šo problēmu saviem studentiem, aicinot viņus analizēt mehāniskās slodzes, kuru ietekmē velosipēds deformējas. Pa to laiku viņa pavadīja savus vakarus, zīmējot brīvas ķermeņa diagrammas — aptuvenas skices par spēkiem, kas iedarbojas uz velosipēdu dažādos scenārijos.

Ikdienas sarunā Hosoi pieminēja savas diagrammas citiem MIT mācībspēkiem. Viņa ātri atklāja, ka nav vienīgā aizraušanās meklētāja.

Izrādās, ka puse no mūsu mācībspēkiem ir sporta fanātiķi, viņa saka. Viņi nodarbojas ar beisbola statistiku vai skrien triatlonus, nodarbojas ar Formulu 1 vai burāšanu, un daudzi no viņiem nedēļas nogalēs veido šīs diagrammas savā garāžā.

Hosoi aizturēja savu velosipēdu projektu, lai koncentrētos uz lielāku mērķi: savienot šos sportu mīlošos inženierus, lai izveidotu sporta tehnoloģiju pētniecības centru. Viņa paredzēja programmu, kas saskaņo MIT novatorus ar sporta preču uzņēmumiem, kas meklē jaunus produktus.

2011. gada rudenī Hosoi un aptuveni 25 mācībspēki no dažādām nodaļām oficiāli izveidoja STE@M (Sports Technology and Education at MIT) — programmu, kas savieno studentus, mācībspēkus, nozares partnerus un sportistus, lai viņi varētu strādāt kopā projektos plkst. sporta un inženierzinātņu krustpunkts. Šie projekti, kas var izpausties kā diplomdarbs, bakalaura pētījumi, profesora blakusuzņēmumi vai klases uzdevums, izstrādā tādas idejas kā fantāzijas futbola lietotne, kas trollē Twitter, lai saņemtu tiešraides atjauninājumus, modelis kaitborda veiktspējas analīzei. un spēcīgāku, lētāku monoski slēpotājiem invalīdiem.

Projektu pamatā ir arī plašs inženierijas disciplīnu klāsts, saka Kims Blērs, STE@M padomnieks un produktu inženierijas firmas Cooper Perkins viceprezidents. Aerodinamika, cilvēka faktori, termodinamika, siltuma pārnese — jūs varētu turpināt un turpināt, viņš saka.

Blērs sadarbojas ar studentiem un sporta preču uzņēmumiem, lai izdomātu sporta inženierijas izaicinājumus. Tā ir loma, kurā viņš jūtas ērti: 1999. gadā viņš nodibināja līdzīgu programmu Sports Innovation at MIT, ko tagad iekļauj STE@M. Būdams Aeronautikas un astronautikas katedras zinātniskais inženieris, viņš programmu vadīja 14 gadus, kuru laikā studenti uzbūvēja aparātu beisbola nūju un cimdu veiktspējas mērīšanai un izstrādāja precīzu velosipēdu testēšanas sistēmu, kas ietver programmatūru un statīvu, kas samazina traucējumus braucējam.

Viens no projektiem, kas ieguva vislielāko saķeri, bija jauns triatlona apavu dizains. Blērs, kurš ir piedalījies neskaitāmos triatlonos un Iron Man sacīkstēs, atklāja, ka neviena čības tirgū neatbilst visām triatlonista vajadzībām. Sacensību dalībniekiem ir ātri jāpāriet no riteņbraukšanas apaviem uz skriešanas apaviem, un tie parasti arī mitrina vairāk nekā maratona skrējēji, palielinot ūdens izliešanas iespēju skriešanas laikā. Skriešanas kedas, kurās ir viegli paslīdēt un kas samazina mitruma uzkrāšanos, piešķirs triatlonistam papildu priekšrocības.

Blērs vispirms meklēja MIT trases komandu, lai atrastu ieinteresētu studentu, un kopā ar Chi-An Wang ’01 ideju izvirzīja apavu uzņēmumam New Balance. Ar uzņēmuma atbalstu 2001. gadā komanda nāca klajā ar triatlona apavu prototipu, ko New Balance galu galā laida tirgū. Blērs šīs kedas sacensībās valkāja trīs sezonas, pirms uzņēmums pārtrauca to ražošanu.

Tas bija diezgan nozīmīgs skrējiens, viņš atceras. Un tas, ko mēs uzskatījām par šo apavu patiešām svarīgu, ir tas, ka uzņēmums ir gatavs izmēģināt kaut ko jaunu.

Vējš viņu burās
Šī vēlme eksperimentēt ir kvalitāte, ko Blērs meklē, vēršoties pie potenciālajiem STE@M partneriem. Pavisam nesen viņš palīdzēja veidot saikni ar āra uzņēmumu Patagonia.

Tetsuja O’Hara, Patagonijas progresīvās pētniecības un attīstības direktore, ierosināja sarīkot nedēļu ilgu semināru MIT mācībspēkiem un studentiem Maui, Havaju salās, lai uzzinātu par vēja tehnoloģijām un piedzīvotu vēja sporta veidus. Lai gan Patagonia galvenokārt ražo āra apģērbu, O'Hara saka, ka uzņēmums ražo sērfošanas dēli un citus ar sērfošanu saistītus produktus.

O'Hara saka, ka MIT, iespējams, varēs piedāvāt Patagonijai jaunus sporta tehnoloģiju skatījumus. [STE@M] mācībspēki un studenti saprot sportu, tāpēc viņi skatās no lietotāja, un mēs varam lietot to pašu valodu kā sportists, viņš saka.

Nav pārsteidzoši, ka Hosoi pārpludināja lūgumi pievienoties ceļojumam. Galu galā viņa sašaurināja jomu līdz pretendentiem, kuri demonstrēja divas īpašības: daudzveidīgu inženierzinātņu portfeli un sporta mīlestību.

Es meklēju šo divu kaislību pārklāšanos, viņa saka. Braucot ar velosipēdu lejup un braucot pāri stūrei, es precīzi zināju, kas man vajadzīgs. Tātad jums ir jābūt šīs kultūras daļai, ja vēlaties ieviest jauninājumus šajā kultūrā.

2013. gada janvārī Hosoi devās uz Havaju salām kopā ar mašīnbūves profesoru Aleksu Slocumu '82, SM '83, PhD '85 un 15 studentiem, tostarp dažiem universitāšu sportistiem, kuriem tajā nedēļā bija jāizlaiž komandas treniņi. Lai saņemtu atļauju doties ceļojumā, Hosoi un Slocum noslēdza vienošanos ar MIT trases treneri: Slocums, pats triatlonists, apsolīja skriet kopā ar studentiem pulksten 6:00 katru dienu.

Atrodoties Maui, grupa devās uz profesionālu vindsērferu Robija Neiša un Fransisko Goijas studijām, kur viņi novēroja kaitborda ar rokām darināšanas procesu. Lai sniegtu skolēniem praktisku pieredzi, Patagonia katru rītu viņiem organizēja nodarbības par vēja sporta veidiem, piemēram, sērfošanu, airēšanu, kaitbordu vai vindsērfingu.

Daži, piemēram, maģistrants Pāvels Zimohs, nekad iepriekš nebija piedalījušies šādos sporta veidos. Zimohu īpaši piesaistīja kaitbords, kurā sērfotājs, braucot uz dēļa, turoties pie liela pūķa, uztver vēja brāzmu, lai paceltos līdz 40 pēdām virs ūdens virsmas. Kaitbords ir salīdzinoši jauns sporta veids, un gan pūķa, gan dēļa dizaini ir ātri attīstījušies, jo dalībnieki, čalojoties savās darbnīcās, ir izdomājuši konfigurācijas, kas ļauj braukt ātrāk un augstāk. Taču šie uzlabojumi pēdējos gados ir palēninājušies.

Entuziasti savas inovācijas balstīja uz savu intuīciju un pieredzi, saka Zimohs. Noteiktā brīdī… svarīga kļūst fizisko principu izpratne.

Kā Hosoi bija atklājis, pētot kalnu velosipēdus, Zimohs saprata, ka nav skaidrs, ar ko viens kaitbords ir labāks par citu. Pēc atgriešanās cietzemē viņš un daži citi studenti sāka pārbaudīt pūķu veiktspēju MIT vēja tunelī. Lai gan viņiem bija grūti iegūt jēgpilnus pūķa pretestības mērījumus dažādos apstākļos, viņi arī cer izmērīt dēļu veiktspēju MIT vilkšanas tvertnē.

Zimoch arī izstrādā pamata skaitļošanas modeli, ko dizaineri var izmantot, lai analizētu, kā pūķis un dēlis, ņemot vērā noteiktus izmērus un īpašības, lidos dažādos vēja apstākļos. Viņš saka, ka modelis var palīdzēt dizaineriem izveidot kaitbordus, kas ir labāk piemēroti vājam vējam. Tas varētu atvērt sporta veidu jaunām pludmalēm un paplašināt tirgu ārpus dažām vietām, kur valda spēcīgais, vienmērīgais vējš, kāds mūsdienās ir vajadzīgs kaitbordam.

Lai gan vēja fizikas izpratne bija būtiska kaitborda modeļa izveidošanai, arī zināšanas par kaitborda sajūtu izrādījās ļoti svarīgas.

Fiziskais pieskāriens ļāva man par to jēgpilni spriest, saka Zimohs, kurš līdz šim ir devies kaitbordā kopā ar citiem komandas locekļiem pa Nahantas pludmalēm, Masačūsetsā. Es varu sēdēt pie sava rakstāmgalda un pārdomāt, kādas ir sajūtas, kad pūķis tevi pārvelk, un kā tas reaģē. Tas ir ļoti noderīgi.

Dienas nozveja
Neilgi pēc tam, kad grupa atgriezās no Havaju salām, Hosoi saņēma intriģējošu piedāvājumu no Okuma, augstas veiktspējas zvejas rīku ražotāja. Uzņēmums bija dzirdējis par STE@M caur Patagoniju un vēlējās sadarboties ar MIT, lai izstrādātu labākas spoles dziļūdens zvejai. Kādu dienu septembrī tas nofraktēja laivu pie Keipkodas krastiem un uzņēma Hosoi, trīs citus mācībspēkus un Blēru. Mēs visi ķērām zivis, Hosoi saka. Es devos mājās un uzcepu ķekaru zilo zivtiņu, un viņi mums atstāja maisu, pilnu ar ruļļiem.

Amoss Vinters, SM '05, PhD '11, mašīnbūves docents, bērnībā bija devies makšķerēt, taču kopš tā laika viņam nebija daudz pieredzes. Taču brauciens ar laivu viņam lika aizdomāties, un viņš aiznesa ruļļu maisu uz mājām tuvākai apskatei. Spēlējoties, viņš nejauši nokrita vienu, sadalot gludo dizainu gabalos. Kādreiz bijis inženieris, viņš izmantoja iespēju pilnībā izjaukt spoli, lai saprastu, kā tā darbojas. Pēc tam viņš ātri izstrādāja uzņēmuma dizaina pārskatu. Konstatējis, ka slodze uz dažām spiedienlietām daļām padarīja spoli jutīgu pret lūzumiem, viņš ierosināja izmaiņas, kas varētu padarīt to stiprāku un saliekamāku, piemēram, dažas no šīm daļām aizstāt ar plastmasu. Viņš arī ieteica veidu, kā padarīt stingrāku spineri (kas ritinās auklā), mainot tā ģeometriju.

Es turpināju runāt ar viņiem, un mēs izveidojām konsultāciju projektu, kas, manuprāt, ir diezgan labs pirmais randiņš, saka Vinters.

Viens no izaicinājumiem, ko viņš plāno risināt, ir korozija. Dziļjūras makšķerēšana ir saistīta ar skarbu laikapstākļu un sālsūdens iedarbību, kas var aizsprostot un izraisīt spoli. Iekārtas var arī salūzt no siltuma, kas rodas, ievelkot, piemēram, 400 mārciņas smagu tunzivi. Winter sadarbosies ar uzņēmumu, lai izstrādātu pret koroziju izturīgāku spoli, kas vieglāk pārvadā kravas — tas nozīmē, ka makšķerniekam būs nepieciešams mazāk spēka, lai ienestu lomu.

Lejupu dizaina pieaugums
Kamēr lielākā daļa studentu mācās par STE@M ar savu profesoru vai klasesbiedru starpniecību, jaunākā Valērija Andersena par programmu uzzināja caur vecvecākiem. Andersens, kurš praktiski uzauga uz slēpēm, ir kalnu braucējs MIT slēpošanas komandā. Viņas vecvecāki viņai pa pastu nosūtīja ziņu rakstu par Turtle Ridge Foundation, bezpeļņas organizāciju, kuru dibināja olimpiskā zelta medaļas ieguvējs Bode Millers. Organizācija izstrādāja jaunu monoski versiju, ko izmanto invalīdi — vienas slēpes ar piestiprinātu nelielu sēdekli. Fonds paredzēja izstrādāt modeli, kas darbotos labāk un maksātu mazāk nekā esošie modeļi.

Kamerons Šo-Dorans izmēģina jauno monoski dizainu, ko MIT pētnieki izstrādā, izmantojot STE@M.

Rakstā minēts MIT pētnieks, kas sadarbojas projektēšanā: Karls Iagnemma, SM '97, PhD '01, galvenais pētnieks Ražošanas un produktivitātes laboratorijā un STE@M loceklis. Andersens ātri uzmeklēja Iagnemmu un pievienojās komandai.

Lai gan Andersena bija īsi trenējusies kopā ar ASV paralimpisko slēpošanas komandu kā otrā kursa studente, viņa nekad nebija izmantojusi monoski un nebūtu varējusi pateikt, vai dizaina uzlabojums ir izraisījis izmērāmus veiktspējas uzlabojumus. Šīs vērtīgās atsauksmes sniedza Kamerons Šo-Dorans, fonda pētniecības un attīstības direktors un konkurētspējīgs adaptīvs slēpotājs. 1997. gadā Šo-Dorans, kurš bija slēpotājs kopš divu gadu vecuma, nokļuva autoavārijā, kas viņu paralizēja no krūtīm uz leju. Millers, mūža draugs, palīdzēja viņam atgūties, un Šovs-Dorans galu galā atgriezās pie slēpošanas, izpētot dažādus tirgū pieejamos monoski.

Galvenais šķērslis lielākajā daļā konstrukciju, pēc Šovs-Dorana domām, bija neatbilstoša balstiekārta, kas lika viņam pārāk daudz atsist, ejot pa taku. Ja es varētu atrast kādu, kas izstrādātu šoku, kas spēj to pašu, ko spēj Bode Millera ceļi, es būtu multimiljardieris, viņš joko.

Viņš un Iagnemma cer savā monoski dizainā integrēt uzlabotu piekares sistēmu. Līdz šim prototips ir vieglāks nekā citi komerciālie dizaini, un tā nedaudz nobīdītā pamatne samazina iespēju, ka slēpes gals atsitīsies pret akmeni.

Šovs-Dorans izmēģināja jauno slēpojumu Huda kalnā Oregonas štatā un saka, ka jutās ar to ļoti saistīts. Es varu kustēties tikai no krūtīm uz augšu. Ja kāda no šīm kustībām tiek zaudēta, pārejot uz slēpēm, es zaudēju enerģiju, viņš saka. Tāpēc tā bija neticami laba sajūta.

Decembrī Šo-Dorans ar monoski aizveda uz Kolorādo, kur sacentās par vietu ASV nacionālajā adaptīvās kalnu slēpošanas komandā un paralimpiskajā kalnu slēpošanas komandā. Viņš saka, ka darbs ar MIT ir izraisījis arī interesi par inženierzinātnēm.

Viņš saka, ka darbs ar alumīniju, tēraudu un titānu un izpratne par to, kā mīkstais alumīnijs ir salīdzinājumā ar tēraudu, un ar to pārnestās vibrācijas.

Vairāk spieķu rumbai
Hosoi cer, ka STE@M izveidos MIT kā inovāciju avotu visā vieglatlētikas nozarē. Viņa vēlas pievienot vairāk spieķu STE@M centram un apspriežas ar Nike un Red Bull par partnerattiecībām. Galu galā vairāk nozares partneru varētu sniegt labumu studentiem, kuri vēlas turpināt karjeru sporta tehnoloģiju jomā.

Galu galā, Hosoi saka, programmas mērķis ir palīdzēt studentiem virzīt viņu aizraušanos.

Mēs parādām cilvēkiem, kā viņi var izmantot savas tehniskās zināšanas lietām, par kurām viņi patiešām ir sajūsmā, viņa saka. Es vēlos, lai šāda enerģija caurstrāvo STE@M.

paslēpties