Inżynierskie emocje

Przejechanie głową przez kierownicę na zjazdowej trasie rowerowej przeraziłoby każdego. Ale dla Anette Peko Hosoi, rozbicie jej roweru przez Highland Mountain Bike Park w Northfield w New Hampshire, dało jej również zastrzyk adrenaliny i ostatecznie przebłysk inżynierskiej wiedzy: czego potrzeba, aby zaprojektować lepszy rower?

Joshua Slocum ’10, MEng ’11 (po lewej) i Folkers Rojas ’08, SM ’11 (po prawej) otrzymują lekcję kiteboardingu od instruktora na plaży Kanaha w Maui.

Podczas swojej pierwszej wyprawy do parku — przebudowanego ośrodka narciarskiego, który zabiera rowerzystów wyciągiem krzesełkowym na szczyt 600 stóp — Hosoi, profesor inżynierii mechanicznej z MIT, próbowała pokonać strome, granitowe szlaki na rowerze przełajowym, z ekscytującą słabe wyniki.

Wspomina, że ​​tego dnia przeszłam przez kierownicę osiem razy. I pomyślałem: „To najwspanialsza rzecz, jaką kiedykolwiek zrobiłem! Wyobraź sobie, że mam odpowiedni rower”.
Posiniaczona i zakrwawiona, zaraz po powrocie do domu weszła do internetu w poszukiwaniu roweru zjazdowego. Odkryła projekty, które były na całej mapie: amortyzatory, przednie układy zawieszenia i mechanizmy kierownicze różniły się w zależności od motocykla i nie było jasne, w jaki sposób takie cechy wpłynęły na osiągi.

W tym czasie Hosoi prowadziła kurs z mechaniki i materiałów, a problem zadała swoim uczniom, prosząc ich o przeanalizowanie obciążeń mechanicznych, pod którymi rower mógłby się odkształcić. W międzyczasie spędzała wieczory na rysowaniu swobodnych schematów ciała — przybliżonych szkiców sił działających na rower w różnych scenariuszach.

W luźnej rozmowie Hosoi wspominała o swoich diagramach innym członkom wydziału MIT. Szybko odkryła, że ​​nie jest jedyną poszukiwaczką wrażeń w tej grupie.

Okazuje się, że połowa naszego wydziału to fanatycy sportów w szafie – mówi. Robią statystyki baseballu, biegają w triathlonie, są w Formule 1 lub żeglują, a wielu z nich robi te diagramy w weekendy w garażu.

Hosoi wstrzymała swój projekt dotyczący roweru, aby skupić się na większym celu: połączeniu tych kochających sport inżynierów w centrum badań nad technologiami sportowymi. Wyobraziła sobie program, który łączy innowatorów z MIT z firmami zajmującymi się artykułami sportowymi poszukującymi nowatorskich produktów.

Jesienią 2011 roku Hosoi wraz z około 25 wykładowcami z różnych wydziałów formalnie stworzyło STE@M (technologia sportowa i edukacja w MIT), program, który łączy studentów, wykładowców, partnerów branżowych i sportowców, aby mogli wspólnie pracować nad projektami na skrzyżowanie sportu i inżynierii. Projekty te — które mogą przybrać formę pracy magisterskiej, badań licencjackich, pobocznego przedsięwzięcia profesora lub zadania klasowego — rozwijają takie pomysły, jak aplikacja do futbolu fantasy, która trolluje Twittera w poszukiwaniu aktualizacji na żywo, model do analizy wydajności deski kite. oraz mocniejszy, tańszy monoski dla niepełnosprawnych narciarzy.

Projekty czerpią również z wielu różnych dyscyplin inżynieryjnych, mówi Kim Blair, doradca STE@M i wiceprezes firmy Cooper Perkins zajmującej się inżynierią produktów. Aerodynamika, czynniki ludzkie, termodynamika, wymiana ciepła — można by mówić i powtarzać, mówi.

Blair współpracuje ze studentami i firmami zajmującymi się artykułami sportowymi, aby stawiać czoła wyzwaniom związanym z inżynierią sportową. Jest to rola, w której czuje się komfortowo: w 1999 roku założył podobny program, Sports Innovation w MIT, który teraz włącza do STE@M. Jako inżynier naukowy na Wydziale Aeronautyki i Astronautyki prowadził program przez 14 lat, podczas których studenci zbudowali przyrząd do pomiaru wydajności kijów baseballowych i rękawic oraz opracowali dokładny system testowania rowerów, który obejmuje oprogramowanie i stojak, który minimalizuje ingerencję w jeźdźca.

Jednym z projektów, który zyskał największą przyczepność, był nowy projekt buta triathlonowego. Blair, który startował w wielu triathlonach i wyścigach Iron Mana, odkrył, że żaden but na rynku nie spełnia wszystkich potrzeb triathlonisty. Zawodnicy muszą szybko zmienić buty rowerowe na buty do biegania, a ponadto zazwyczaj bardziej nawadniają niż maratończycy, co zwiększa prawdopodobieństwo rozlania wody podczas biegu. Buty do biegania, które można łatwo założyć i które minimalizują gromadzenie się wilgoci, dałyby triatloniście dodatkową przewagę.

Blair najpierw poszukał zainteresowanego studenta w zespole torów MIT i razem z Chi-An Wang'01 przedstawili pomysł firmie obuwniczej New Balance. Dzięki wsparciu firmy, w 2001 roku zespół opracował prototyp buta triathlonowego, który New Balance ostatecznie wprowadził na rynek. Blair nosiła tenisówki podczas zawodów przez trzy sezony, zanim firma przestała je produkować.

Miał dość znaczący przebieg, wspomina. Uważaliśmy, że w przypadku tego buta bardzo ważne jest to, że powiedział, że firma jest gotowa spróbować czegoś nowego.

Wiatr w ich żaglach
Ta gotowość do eksperymentowania jest cechą, której Blair szuka w kontaktach z potencjalnymi partnerami STE@M. Ostatnio pomógł nawiązać kontakt z firmą outdoorową Patagonia.

Tetsuya O'Hara, dyrektor ds. zaawansowanych badań i rozwoju w Patagonii, zaproponował zorganizowanie tygodniowych warsztatów dla wykładowców i studentów MIT na Maui na Hawajach, aby poznać technologię wiatrową i doświadczyć sportów wiatrowych z pierwszej ręki. Podczas gdy Patagonia produkuje głównie odzież outdoorową, O’Hara mówi, że firma produkuje deskę surfingową i inne produkty związane z surfingiem.

O’Hara mówi, że MIT może zaoferować Patagonii świeże spojrzenie na technologię sportową. Kadra i studenci [STE@M] rozumieją sport, więc mają oko od użytkownika, a my możemy używać tego samego języka, co sportowiec – mówi.

Nic dziwnego, że Hosoi został zasypany prośbami o dołączenie do wyprawy. Ostatecznie zawęziła pole do kandydatów, którzy wykazali się dwiema cechami: zróżnicowanym portfolio inżynierskim i zamiłowaniem do sportu.

Szukałam połączenia tych dwóch pasji – mówi. Jadąc tym rowerem w dół i przechodząc przez kierownicę, wiedziałem dokładnie, czego potrzebuję. Więc musisz być częścią tej kultury, jeśli chcesz wprowadzać innowacje w tej kulturze.

W styczniu 2013 roku Hosoi udał się na Hawaje z profesorem inżynierii mechanicznej Alexem Slocumem ’82, SM ’83, PhD ’85 i 15 studentami, w tym kilkoma sportowcami uniwersyteckimi, którzy musieli opuścić trening zespołowy w tym tygodniu. Aby uzyskać pozwolenie na wyjazd, Hosoi i Slocum zawarli umowę z trenerem toru MIT: Slocum, sam triathlonista, obiecał biegać ze studentami codziennie o 6 rano.

W Maui grupa wpadła do studia profesjonalnych windsurferów Robby'ego Naisha i Francisco Goyi, gdzie obserwowała proces ręcznego tworzenia desek kitesurfingowych. Aby dać uczniom trochę praktycznego doświadczenia, Patagonia zorganizowała im codzienne lekcje sportów wiatrowych, takich jak surfing, paddleboarding, kiteboarding lub windsurfing.

Niektórzy, jak doktorant Paweł Zimoch, nigdy wcześniej nie uprawiali takich sportów. Zimocha szczególnie pociągał kiteboarding, podczas którego surfer jadący na desce trzymając się dużego latawca łapie podmuch wiatru i wznosi się na 40 stóp nad powierzchnię wody. Kiteboarding to stosunkowo nowy sport, a projekty zarówno latawca, jak i deski szybko ewoluowały, ponieważ uczestnicy, majstrując podczas warsztatów, wymyślili konfiguracje, które pozwalają im lecieć szybciej i wyżej. Ale te ulepszenia uległy spowolnieniu w ostatnich latach.

Entuzjaści opierali swoje innowacje na intuicji i doświadczeniach – mówi Zimoch. W pewnym momencie… ważne staje się zrozumienie zasad fizycznych.

Jak odkrył Hosoi, studiując rowery zjazdowe, Zimoch zdał sobie sprawę, że nie jest jasne, co sprawia, że ​​jeden kiteboard jest lepszy od drugiego. Po powrocie na kontynent, on i kilku innych uczniów zaczęli testować osiągi latawców w tunelu aerodynamicznym MIT. Chociaż trudno im było uzyskać jakiekolwiek znaczące pomiary oporu latawca w różnych warunkach, mają również nadzieję zmierzyć wydajność desek w zbiorniku holowniczym MIT.

Zimoch opracowuje również podstawowy model obliczeniowy, który projektanci mogą wykorzystać do analizy, jak latawiec i deska, przy określonych wymiarach i cechach, będą latać w różnych warunkach wiatrowych. Mówi, że model może pomóc projektantom w tworzeniu desek do kitesurfingu, które są lepiej przystosowane do słabych wiatrów. To może otworzyć ten sport na nowe plaże i poszerzyć rynek poza nieliczne miejsca z silnymi, stałymi wiatrami, których wymaga dzisiaj kiteboarding.

Chociaż zrozumienie fizyki wiatru było niezbędne do zbudowania modelu kiteboardingu, znajomość wrażeń związanych z kiteboardingiem również okazała się kluczowa.

Fizyczny dotyk umożliwił mi wytłumaczenie tego w znaczący sposób, mówi Zimoch, który do tej pory jeździł na kiteboardzie z innymi członkami zespołu wzdłuż plaż Nahant w stanie Massachusetts. Mogę usiąść przy biurku i przypomnieć sobie, jak to jest, kiedy latawiec cię wciąga i jak reaguje. To bardzo pomocne.

Złap dnia
Niedługo po powrocie grupy z Hawajów Hosoi otrzymał intrygującą propozycję od Okuma, producenta wysokowydajnego sprzętu wędkarskiego. Firma słyszała o STE@M za pośrednictwem Patagonii i chciała współpracować z MIT w celu zaprojektowania lepszych kołowrotków do połowów dalekomorskich. Pewnego wrześniowego dnia wyczarterował łódź u wybrzeży Cape Cod i gościł Hosoi, trzech innych członków wydziału oraz Blaira. Wszyscy łowiliśmy ryby, mówi Hosoi. Poszedłem do domu i usmażyłem pęczek bluefish, a oni zostawili nam torbę pełną rolek.

Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, adiunkt inżynierii mechanicznej, jako dziecko chodził na ryby, ale od tego czasu nie miał dużego doświadczenia. Ale wycieczka łodzią dała mu do myślenia i zabrał torbę z rolkami do domu do dokładniejszej inspekcji. Podczas zabawy przypadkowo upuścił jeden, rozbijając elegancki projekt na kawałki. Jako inżynier wykorzystał okazję, aby całkowicie zdemontować kołowrotek, aby zrozumieć, jak to działa. Następnie szybko sporządził przegląd projektu dla firmy. Odkrywszy, że obciążenie niektórych części odlewanych ciśnieniowo powoduje, że kołowrotek jest podatny na pękanie, zasugerował zmiany, które mogą sprawić, że będzie on mocniejszy i bardziej podatny na zginanie, na przykład zastąpienie niektórych części plastikiem. Polecił też sposób na usztywnienie błystki (która zwija linkę) poprzez zmianę jej geometrii.

Kontynuowałem z nimi rozmowę i przygotowaliśmy projekt konsultingowy, który moim zdaniem jest całkiem niezłą pierwszą randką, mówi Winter.

Jednym z wyzwań, z którymi zamierza się zmierzyć, jest korozja. Wędkarstwo dalekomorskie wiąże się z wystawieniem na trudną pogodę i słoną wodę, która może zatkać i spowodować korozję kołowrotka. Sprzęt może również ulec uszkodzeniu pod wpływem ciepła wytwarzanego przez wciągnięcie, powiedzmy, 400-kilogramowego tuńczyka. Winter będzie współpracować z firmą nad zaprojektowaniem bardziej odpornego na korozję kołowrotka, który będzie łatwiej przenosił ładunki, co oznacza, że ​​wędkarz potrzebowałby mniej siły, aby złapać ładunek.

Powstanie projektu zjazdowego
Podczas gdy większość uczniów uczy się STE@M od swoich profesorów lub kolegów z klasy, młodsza Valerie Andersen dowiedziała się o programie od swoich dziadków. Andersen, który praktycznie dorastał na nartach, jest zawodnikiem alpejskim w drużynie narciarskiej MIT. Dziadkowie wysłali jej artykuł informacyjny o Fundacji Turtle Ridge, organizacji non-profit założonej przez złotego medalistę olimpijskiego Bode Millera. Organizacja opracowywała nową wersję monoski, z której korzystają osoby niepełnosprawne – pojedynczą nartę z dołączonym małym siedziskiem. Fundacja zamierzała zaprojektować model, który działałby lepiej i kosztował mniej niż istniejące modele.

Cameron Shaw-Doran testuje nowy projekt monoski, który naukowcy z MIT opracowują za pośrednictwem STE@M.

Artykuł wspominał naukowca z MIT współpracującego przy projektowaniu: Karl Iagnemma, SM ’97, PhD ’01, główny naukowiec w Laboratorium Produkcji i Produktywności oraz członek STE@M. Andersen szybko odszukał Iagnemmę i dołączył do zespołu.

Chociaż Andersen trenowała krótko u boku paraolimpijskiej drużyny narciarskiej USA na drugim roku, nigdy nie używała monoski i nie byłaby w stanie stwierdzić, czy zmiana projektu spowodowała jakąkolwiek wymierną poprawę wydajności. Te cenne opinie pochodziły od Camerona Shaw-Dorana, dyrektora ds. badań i rozwoju w fundacji i konkurencyjnego narciarza adaptacyjnego. W 1997 roku Shaw-Doran, który był narciarzem od drugiego roku życia, miał wypadek samochodowy, który sparaliżował go od klatki piersiowej w dół. Miller, przyjaciel na całe życie, pomógł mu w powrocie do zdrowia, a Shaw-Doran w końcu wrócił do jazdy na nartach, odkrywając różne monoski na rynku.

Główną przeszkodą w większości projektów, jak stwierdził Shaw-Doran, było nieodpowiednie zawieszenie, które powodowało, że zbyt mocno podskakiwał, gdy podążał szlakiem. Gdybym mógł znaleźć kogoś, kto zaprojektuje amortyzator, który zrobi to, co potrafią kolana Bode Millera, byłbym multimiliarderem – żartuje.

On i Iagnemma mają nadzieję zintegrować ulepszony system zawieszenia z ich projektem monoski. Jak dotąd prototyp jest lżejszy niż inne komercyjne projekty, a jego lekko przesunięta płyta podnóżka zmniejsza ryzyko uderzenia czubka narty o skałę.

Shaw-Doran przetestował nowe narty na Mount Hood w Oregonie i mówi, że czuł się z nimi bardzo związany. Mogę poruszać się tylko od klatki piersiowej w górę. Jeśli którykolwiek z tych ruchów zostanie utracony podczas przenoszenia na narty, tracę energię, mówi. Więc to było niesamowicie dobre uczucie.

W grudniu Shaw-Doran zabrał monoski do Kolorado, gdzie rywalizował o miejsce w amerykańskiej narodowej drużynie adaptacyjnej narciarstwa alpejskiego i paraolimpijskiej drużynie narciarstwa alpejskiego. Mówi, że współpraca z MIT wywołała również zainteresowanie inżynierią.

Praca z aluminium, stalą i tytanem oraz zrozumienie, jak miękkie aluminium jest porównywane ze stalą, a także ilość przenoszonych przez nie wibracji — chciałbym dowiedzieć się więcej, mówi.

Więcej szprych do piasty
Hosoi ma nadzieję, że STE@M uczyni z MIT źródło innowacji w branży lekkoatletycznej. Chce dodać więcej szprych do centrum STE@M i prowadzi rozmowy z Nike i Red Bull na temat partnerstwa. W końcu większa liczba partnerów branżowych mogłaby przynieść korzyści studentom, którzy chcą kontynuować karierę w technologii sportowej.

W końcu, jak mówi Hosoi, celem programu jest pomoc uczniom w ukierunkowaniu ich pasji.

Pokazujemy ludziom, jak mogą wykorzystać swoją wiedzę techniczną do rzeczy, którymi są naprawdę podekscytowani – mówi. Chcę, żeby taka energia przenikała STE@M.

ukryć