0

《大科學》年度發明

※來源:北美新浪

自從2007年《大科學》雜誌設立“年度發明大”以來,這個專題見證了多新發明家的誕生。新的材料、廉價的3D打印工具和網絡為今天的發明家們提供了更方便的發明環境。今年入選的10大發明,無論是售價不超過30美元的紙板自行車、解決邊遠地區照明問題的重力燈,或是專門為太空旅遊者設計的宇航服,都試圖幫助解決這個世界面臨的迫切問題,利用新的材料和技術,以最低成本實現最大效率。

1家用飛機

品名:Synergy研發成本:未知成熟度:2/10

誰也不喜歡機場的擁擠、飛機的經常晚點、安檢程序的繁瑣緩慢,因此約翰·麥克吉尼斯認為,如果可能,普通家庭更願意擁有私人飛機,於是,在父親、兒子和二十多位志願者的幫助下,他決定改造私人飛機。不同於今天價格動輒超過房屋的小型飛機,麥克吉尼斯說,他發明的Synergy私人飛機價格更便宜、更安靜,每加侖燃油可飛行40多英裡,燃料利用率是普通小型飛機的3倍。

47歲的麥克吉尼斯小學二年級第一次乘坐飛機。私人飛機的低效率讓他感到困擾,於是他用了20多年的時間自學航空工程學和流體動力學。一天,他在女兒們的室裡瀏覽科學期刊,偶然讀到一位N A SA (美國宇航局)研究者挑戰傳統氣動阻力公式的論文。麥克吉尼斯看到了它的潛力。“我走出孩子們的房間,激動得語無倫次,像瘋子一樣對我的妻子直嚷嚷,”他說,“親愛的,你永遠不會相信。我剛剛解決了從孩童時代就一直困擾我的問題。”

Synergy的機翼向上彎曲成一個盒子的形狀,可以最大化減少阻力,增加效率。每個機翼的上半部向機身后方延伸,相當於尾巴,同時又可提供更大的飛行穩定性。這種雙盒子形狀的機尾還可抵消龍捲風式的漩渦,使得滑行更加輕易。推進器被從飛機前端移到了子彈形機身的尾部,有助減少噪音,增大推力。

麥克吉尼斯在他父親的車庫裡研製Syn-ergy,他用一台電腦數控機和定製的模具製造零部件,用3D軟件快速實現新的構思。家庭成員組成了設計團隊的核心,麥克吉尼斯的兒子凱爾是團隊的副指揮。一個用玻璃纖維、碳纖維和凱夫拉爾材料製作的1/4大小模型證明這種嶄新的機翼形狀是成功的。憑藉通過群體集資籌集到的8萬美元資金,他們希望能夠在今年之內製造出能夠搭載5人的樣品機。“我每周在這個項目上花費90小時,几乎沒有睡覺的時間,”麥克吉尼斯說,“我知道自己的發明是獨一無二的,這就是推動我前進的動力。”

2紙板自行車

品名:Alfa Bike

研發成本:$250,000

成熟度:6/10

2009年的一天,以色列工程師伊扎爾·加夫尼坐在安靜的圖書館裡,設計一台給石榴去籽的機器,他的思想不知不覺飄到了自行車上。這是他最喜歡的休閒運動。加夫尼很欣賞用竹子製作的自行車,但它們的成本實在太高。他問自己,為什麼不用紙板替代竹子?[NT:PAGE=$]

在接下來兩年的時間裡,加夫尼學會了將紙板摺疊成最堅固的形狀;反復試驗后,他最終得到了類似蜂窩和鳥巢的堅固結構。他又花了一年的時間,將紙板製作成自行車部件。他說,“我覺得自己就像是萊特兄弟,正在探索未知領域。”

他最終完成了一輛單速自行車,它的輪輻和主要框架均用紙板製成,再在表面涂上清漆,防止紙板受潮氣侵襲。加夫尼想方設法利用廢舊物資,舊汽車輪胎被改造成自行車輪胎;汽車牙輪皮帶被改造成輪胎鏈條,塑料瓶被改造成踏板曲柄。這款自行車名叫A lfa,總重28磅,可以搭載一位體重560磅的人,載重量相當車本身重量的20倍。

加夫尼打算批量生4種型號:兩款18磅重的成人自行車,用戶可選擇加裝充電馬達;還有兩款兒童自行車。他希望每輛車的材料價格不超過12美元,最終售價不超過30美元。通過在自行車上張貼廣告——— 或是籌集足夠的捐款——— 讓發展中國家的人可以免費騎上紙板自行車。加夫尼又開始設想用紙板製作嬰兒車、輪椅、甚至汽車。他說,“這種廉價的材料可以做成几乎任何東西。”

3毒氣過濾頭盔

品名:WindMaker H elm et

研發成本:$200,000

成熟度:8/10

1999年,金屬電焊工人邁克爾·布克曼到一家鋁廠工作,上班第一天,開工僅30分鐘,他就因為吸入太多有毒氣體患上急性支氣管炎,整整病了3天。康復期間,布克曼一直在思考可否用電焊頭盔過濾有毒氣體。“但是當時的市面上根本沒有這樣的頭盔。”於是,他開始設計WindMaker——— 一款可以防止肺部受損的頭盔。

WindM aker從頭盔后面吸取新鮮空氣,推動空氣穿過過濾器,再吹向前方,新鮮空氣在冷卻皮膚的同時還可防止玻璃面板前煙霧籠罩。安裝在下頜旁邊的一個風扇可幫助排出空氣,吹散工作區內的有毒煙霧。玻璃面板兩側的LED可幫助照明,此外還有一層厚厚的阻隔火花的隔熱防護材料。

多家公司已經對這款頭盔表示了興趣。但是,在正式開始銷售之前,WindM aker首先必須經過美國國家職業安全衛生研究所的空氣過濾功能測試。如果這一裝置最終通過檢驗,將能夠為電焊工人們提供多重保護。

布克曼還在考慮給他的頭盔加上其他高科技配件,比如無線通信裝置、太陽能電池板、視頻攝像機和電子顯示器。無論最終的頭盔還會添加什麼功能,布克曼對於他的安全防護作用充滿信心。“我在工作時受傷,”他說,“這慘痛的切身體驗促使我設計出這款頭盔。”[NT:PAGE=$]

4卡車尾氣驅動的空調

品名:H Y P E R A P U

研發成本:$800,000

成熟度:6/10

半拖車(一種可拖掛車廂的18輪大卡車)的司機們經常讓引擎空轉,以便保持駕駛室的供暖或冷氣,在美國,這一做法每年浪費掉10億加侖燃料。安裝在駕駛室背部的小型引擎——— 又叫輔助電源(A PU )———可以達到同樣的效果,但更節省燃油,缺點是噪音大且散髮難聞的氣味。安大略的幾位工程師和機械師發明了更好的解決方案:一款用卡車尾氣(廢熱)驅動的輔助電源H YPER。

這5人原本計劃設計一輛100英裡油耗僅1加侖的汽車,參加“環保汽車X大”的角逐。在一次討論會上,有人提出:為什麼不利用汽車的尾氣來驅動空調系統?小組成員傑克·麥克唐納說,“我們做了很多的模擬試驗,意識到這個方案是可行的。”他和另外兩人決定投入全部時間發明一款新型輔助電源裝置。

H Y PE R的原理類似一台家用電冰箱,但大小只有冰箱的1/3。H YPER製冷的方式是給一種高壓下呈液態的製冷劑減壓,使之膨脹汽化(這一過程會吸收熱量)。氣體凝結回歸液態后又重新開始循環。但冰箱用電力來驅動這一循環,而H Y PER則利用半拖車排放溫度高達349℃的尾氣。麥克唐納說,拖車行駛1小時所生的廢熱轉化為電能足夠為駕駛室提供6至10小時的暖氣或冷氣。根據初步測試,他認為這款裝置可讓貨車司機的年耗油量減少9%,碳排放量減少20噸。

H YPER正在一輛經過改裝的半拖車上進行測試,預計2014年可以投向市場。美國道路上行駛約250萬輛大卡車,不難想象,H YPER的應用將會帶來多麼巨大的影響。設計小組還希望將它應用到巴士、房車、客車等其他車輛上。麥克唐納說,“它可以幫助大幅減少汽車的碳排放、節省燃料、減少對外國石油的依賴。”

5機器表演者

品名:R oythe R obot

研發成本:$9,000

成熟度:4/10

布萊恩·羅艾花了近10年時間為電影製作各種機器怪物。《病毒》、《人工智能》、《史酷比2》等影片中都可以看到他的作品。然而,几乎在一夜之間,好萊塢就拋棄了機器角色,用電腦動取而代之。羅艾現在擔任技術顧問,但是,隨簡單易操作的廉價微型電子裝置的出現,他發現了一個新的機器人市場。“過去,電子裝置和自動化軟件距離普通人的生活很遙遠,”羅艾說,“但在過去6至8年時間裡,情況完全改變。”因此,羅艾開始研製一款低成本裝置,用於向愛好者傳授機器人技術。他稱他的發明為“機器人羅依”。[NT:PAGE=$]

現在,機器人羅依還只有一個頭、一個脖子、一對手臂和一雙靈活的手。多達1200個零件在電子動軟件控制下,使得這個機器人模仿起人來惟妙惟肖。羅伊的身體用一種輕質木材精確切割而成。28個輔助馬達幫助它完成各種手勢,活動手腕、脖子和下頜,甚至還會眨眼睛。

為了完成機器人的上臂和肩膀,羅艾發動了一場成功的群體集資運動,投資人可獲得一個D IY工具包,自行組裝成羅伊的手和手臂。最終,他希望這款工具包的售價在300美元左右。卡內基梅隆大學的機器人學家悉達多·斯裡尼瓦沙說,“目前最廉價的機器手臂的售價也得2萬美元上下。”

羅艾估計,包括軀幹和腿的完整機器人D IY套裝售價可能達到3000美元,他還希望能給它裝上人工智能,讓它自己學習人類的動作。“但我的主要目標依然是幫助人們自己製作機器人,了解它們的工作原理,學會如何為它們編程,”羅艾說,“因為,最終,人類將生活在一個高度自動化的社會中。”

6亞軌道宇航服

品名:T hird G eneration (3G ) S uit

研發成本:$300,000

成熟度:6/10

2007年的N A SA宇航員手套挑戰賽中,特德·紹仁結識了另一位參賽者、俄羅斯宇航服設計者尼科萊·莫伊謝耶夫。雖然兩人都未能奪,卻一見如故成了朋友。兩年后,他倆合作設計的一款手套奪得了10萬美元獎金。

紹仁和莫伊謝耶夫目前正在研製第3代全套宇航服,希望能夠在未來的亞軌道太空旅遊市場中佔據一席之地。據估計,未來10年,亞軌道太空旅遊的值將達16億美元。維珍銀河、S paceX、X CO R和BlueO rigin等多家公司都准備開闢亞軌道太空游航線。紹仁說,太空的危險環境開闢了新的市場。“在上面几乎是對的真空。”

現代宇航服每套售價約20萬美元,几乎比太空旅行的機票還要貴。宇航服大多有一層充氣內膽,外面是一層堅固耐磨的外套——— 兩層的設計讓它們厚重、龐大,極不靈活。然而,“對於亞軌道旅遊者而言,舒適是必備條件,”太空醫學顧問喬納森·克拉克說,“要知道,他們花費了大筆錢來遊玩。”

2009年,紹仁和莫伊謝耶夫開始研製單層宇航服,預期最終每套售價約5萬美元。他們採用耐磨、不透氣、柔軟的聚氨酯涂層尼龍為衣服材料。充氣之后,巧妙安置的接縫可確保穿者保持肢体靈活。內置管道循環空氣幫助降溫。衣服前面的介面可接插生命保障裝置。[NT:PAGE=$]

任何新式宇航服要投入使用必須經過N A SA的認證,這一程序並不便宜。於是,去年,紹仁和莫伊謝耶夫通過互聯網尋求群體集資,共籌集到2.7萬美元,距離製造出最終樣品還差最后10%的資金。他們已經開始對關鍵部件進行飛行測試,並引起了私人航空業的關注。“不久前,前宇航員加裡特·雷斯曼(SpaceX公司的安全專家)登門拜訪。”紹仁說,“我們設計的一套第2代加壓服給他留下深刻印象。”

7智能探測球

品名:B ounce Im aging E xplorer

研發成本:未知

成熟度:7/10

2010年,在海地大地震之后,國際搜救小隊紛紛飛抵太子港搜尋倖存者。當時還在讀大學的公共政策專業學生弗朗西斯科·阿格拉從新聞中獲知,救援小組大多采用複雜昂貴的成像系統搜尋倖存者。“只有少數的救援團隊擁有這類裝備,而且它用起來很複雜,需要經過專業培訓。”不久,阿格拉自己成立了一家公司,專門研究更簡單的災區搜救工具:一款廉價的,可拋投的,籃球大小的探測器。

這款探測器名叫彈跳成像探測器(B ounceIm agingExplorer),有一層減震外殼,內置6個照相機、一組近紅外LED充當閃光燈。使用時,先將這個球形探測器與智能手機或平板電腦連接,再將它拋擲到需要探索的危險地區。它會立刻開始拍照,檢測甲烷、一氧化碳和危險的高溫。球內的微型處理器將照片拼接起來,再將採集到的原始數據轉換后用Wi-Fi傳送給智能手機/平板電腦。在探測球拋出幾秒鐘后,連接設備上就能收到配有各種重要參數的全景圖。

阿格拉說,除了災區之外,這款智能探測球還可用於火災現場、解救人質、戰場。他和所有潛在的用戶取得聯繫,希望聽取他們的意見。在最初18個月裡,他的公司根據目標用戶的反饋不斷修改設計,推出了幾十種方案。比如有幾位警察說,他們希望能夠聽到探測房間內的聲音,阿格拉立刻在探測球里加裝了一個數字麥克風。

警察、消防員、士兵、核電站檢查人員都表示願意測試這款新裝置。阿格拉希望智能探測球的最終售價在500至1000美元之間。“我們希望盡量降低成本,讓它能夠被應用到更多場合。”

8重力燈

品名:G ravityLight

研發成本:超過$300,000

成熟度:8/10

全球超過7.8億人依然靠煤油照明。但這種燃料價格昂貴,燃燒時會釋放有毒物質,而且容易引起火災。2008年,倫敦工業設計師馬丁·裡迪福德和同事吉姆·裡弗斯決定創造一種更廉價安全的照明工具。[NT:PAGE=$]

裡迪福德知道,下落的重物足以生足夠能量驅動一個有擺落地大座鐘,那麼同樣的原理是否可用於照明?為了找到答案,他將一個手動發條手電筒連上一個自行車輪。然后再將一個重物懸掛在車輪上使之旋轉;輪子帶動發條,成功讓電筒亮起來。

接下來4年裡,裡迪福德、裡弗斯和一個小團隊將空余時間都耗在一個地下室裡,不斷改進重力燈的設想。這款燈使用起來並不複雜:先將裝置掛起來,往配套的口袋中裝入28磅重的土石或其他重物,把負重的口袋掛在一條打孔帶上,袋子的重力慢慢地拉動打孔帶,帶動一系列齒輪驅動一個小馬達,為一盞LED燈連續提供30分鐘電能。

設計小組利用網絡籌集到的資金生了1000個重力燈,准備送到發展中國家接受檢驗,另外6000個被贈送給了投資者。裡迪福德說,“讓我們倍感欣慰的是,我們的工作能得到如此多的正面評價。”除了邊遠鄉村,重力燈還適用於野外露營,或是任何沒有電源插座的黑暗空間。裡迪福德還希望推出一款零售版,計劃售價不超過10美元

9高強度運動假肢

品名:V ersa Foot

研發成本:$15,000

成熟度:9/10

2008年,在一場職業雪地摩托車比賽中,邁克·舒爾茨駕駛的車輛突然失控,他的左腿膝蓋在事故中完全粉碎,醫生被迫將膝蓋及以下部分全部切除。“手術后,我看妻子說,‘現在我們該怎麼辦?’”舒爾茨說,“我是一名職業運動員,截肢后恐怕將無法再繼續從前的工作。”

舒爾茨的直覺是對的:傳統假肢無法承受他從事的高強度運動。於是,2009年初,舒爾茨專門設計製造了一條可以承受巨大衝擊力的假肢。關鍵部件是帶動力的膝關節,它利用一款可調節的山地車減震器,通過氣壓控制關節的硬度。但是,滑雪和滑板運動員還需要使用腳趾和腳踝的力量,於是,舒爾茨又添加了“V ersa假足”———用空氣減震器模擬關節功能的人造足+踝。組合起來,兩個部件構成一條防水又抗震的下肢,適用於一系列的高強度體育運動。

不久前,舒爾茨返回賽場,在2013年阿斯彭極限運動會上奪得一枚金牌。今年春天,他將開始銷售改進版的運動假肢。目標用戶不僅包括截肢的運動員,還有一些在戰場上失去下肢的士兵。“這個項目的初衷只是為了讓我能繼續做自己喜歡的事情,但現在它的意義早已不僅於此,”舒爾茨說,“能夠幫到更多的人,就已經證明了它的價值。”

10數字吉他

品名:Jam S tik

研發成本:$1,000,000

成熟度:9/10

還是孩童時,電氣工程師丹·蘇利文學會了彈吉他。然而,現在,他十多歲的兒子卻更喜歡玩電子游戲。在蘇利文看來,如果把玩游戲的時間用來演奏真正的樂器,足以造就一位熟練的音樂家。“到了我這個年紀還可以炫耀一下自己的吉他演奏技能,”58歲的蘇利文說,“而玩游戲最終又能給你帶來什麼?”[NT:PAGE=$]

7年前,蘇利文辭去了視頻廣告公司首席技術官員職務,開始研究Jam Stik———一款數字六弦吉他。這款小巧的裝置,和真正的吉他一樣有音品和弦,但無需調音,也不像很多數字樂器一樣需要按鈕。內置的小型感應器可通過52個紅外LED跟蹤手指的運動。

由於這些感應器相距只有幾毫米,重疊的信號被過濾掉,確定手指的精確位置。它們還能跟蹤細微的指法變化。一個內置微處理器將原始數據轉換成標準音樂指令(M ID I),通過無線天線傳輸給同步的iPad或筆記本。

由於感應器的感應範圍可到達指板之上半英寸,在手指觸弦之前,感應器就已收到信號。這使得配套軟件———比如Jam T utor———可實時標示手指位置,方便彈奏者自我修正。Jam Stik還可以和上百種W i-Fi應用程序配合使用。蘇利文估計這款品可在2013年底開始銷售,他希望,“它能夠幫助年青一代認識創作音樂的樂趣,而不只是做一個被動的音樂消費者。”

卡車尾氣驅動空調的工作原理

1) 349℃的卡車尾氣加熱流過交換器的低壓製冷劑。

2)第二個交換器給加熱后的製冷劑加壓。

3)製冷劑經過噴嘴減壓后變成氣體,使得相鄰環形管中的冷卻劑溫度降至-5℃。

4)隔熱艙儲存低溫冷卻劑。

5)風扇將空氣吹過一排裝滿低溫冷卻劑的管道,給卡車駕駛室提供冷氣。

6)冷卻劑凝結成液體,重循環。

重力燈工作原理

1)重力拉動口袋下降,拉動一條打孔帶,再帶動一系列塑料齒輪。

2)齒輪旋轉驅動一個電馬達。

3)馬達為一個小LE D燈提供能源,可連續照亮30分鐘——— 即口袋落到地面所需的最長時間。

4)這一裝置還可用於驅動低電壓裝置,整套系統可重覆使用數千次。

原載:http://w w w .popsci.com

編譯:宇