《大科學》年度發明

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?

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。”

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”。

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。”

更多:http://news.cnyes.com/Content/20130429/kh7dkwy306afu.shtml