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【前沿】国《大众科学》杂志公布2009年度十大发明
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年年月月，都有无数发明狂人在忙碌。他们可能无法治愈白血病或者送宇航员上火星，但其作品对现实的影响一样深远。美国《大众科学》杂志据此评选出2009年度十大发明，包括使用整形技术不会污染水质的鱼饵、隔热防火的蘑菇墙板、世界上速度最快的坦克、利用汽车颠簸发电的减震器、帮助截瘫患者重新行走的“机器腿”、让护士不再为寻找静脉苦恼的新式导管…… 01 摩天大楼逃生轮 名称：RescueReel 研发成本：33.5万美元 耗时：6年 “9·11”发生后，凯文·斯通(KevinStone)一直追看电视直播，看着那些悲惨的画面，一个念头萦绕在他脑际，挥之不去：为何困在世贸中心里的人无法安然返回地面？“我告诉自己，这太荒唐了，”斯通回忆说。他是圣弗朗西斯科一名整形医生，也是成果累累的发明狂人。“应该有种更好的方法，帮助人们在灾难时刻成功逃离摩天大楼。” 斯通发现，已有的高楼逃生设备不是有缺陷，就是不实用，于是他受渔线轮启发，设计了一种简单的新装置，依靠足够坚固的长绳，将人们从高楼平稳送至地面。使用者只需打开一个抽屉大小的盒子，将一条杜邦凯夫拉尔(KEVLAR)纤维制成的绳索钩在某个安全牢靠的物体或连接点上，然后将类似外衣的安全吊带套在身上，打开窗即可一溜而下，距地最高可达100层楼。使用者无须接受专门培训，完成全部准备动作不用一分钟。 斯通的发明亮点是一套离心式制动系统，可自动控制下降的速度和频率。逃生轮的绳索自一个线轴内伸出来，然后缠在一个与制动装置相连的轴上。随着线轴转动，一组制动块会对制动盒内缘施加压力，平稳、缓慢地将使用者放下。如果这套自动制动系统失灵，逃生轮上还配有手动的备用制动杆。从100层高的大楼下到地面，耗时不到四分钟，平均一秒钟下一层。 2007年，斯通试用了样品；随后专门制造攀登绳索的Skala公司在加州某消防局对它进行了全方位测试。消防安全顾问斯科特·杜格拉斯说，与消防员们过去使用的高层救援绳索相比，这套装置改进颇多，“它自动化程度高多了，使用起来也更加容易和直接。” 所有测试完成后，斯通准备将逃生轮推向市场，预计商业化版本会在明年面世，售价约为1500美元。他打算实现大规模生产后尽量降低产品价格，这样大楼业主就可以大批采购，将之作为租客们逃生的标准装备。 02 最快的坦克 名称：Ripsaw 研发成本：未知 耗时：5年 打开YouYube上关于Ripsaw的热门链接，你可以看到这辆无人驾驶的坦克以每小时60英里的速度在泥泞的野地里披荆斩棘，从50英尺的高处跃下，将一排排的白桦树碾倒。 就像他们的创造物一样，Ripsaw的发明者、34岁的双胞胎兄弟吉奥夫·霍维和迈克·霍维一看就不是乖乖仔。7岁时他们就合建了一栋小木屋，10年后又把一辆校巴改造成移动舞台；2000年他们出现了分歧：吉奥夫想造一辆喷射式涡轮增压越野卡车，而迈克的目标是制造全球最快的履带车。“那个周末，迈克把我叫到他的车库，”吉奥夫说：“他已经为Ripsaw弄好了悬架，我只好接着干下去了。” 他们咨询了很多工程师，每个人都说他们不可能超越M1AAbrams，它号称“全球最强大的坦克”，时速42英里。普通坦克为了保护乘员，车架以厚厚的装甲钢制成，而Ripsaw的设计目标是在崎岖难行的地带执行无人任务，主要追求速度，因此兄弟俩开始考虑如何减重。他们用焊接钢管做了车架，就像Nascar(美国全国汽车比赛协会)的赛车一样，这使得车身强度增加了50%，自重减少了50%。 但是，如果你想彻底改造坦克，很难找到现成的配件，轻得能以每小时60英里的速度旋转、同时又坚固得不会飞掉的轮胎则根本不存在。于是豪威兄弟自己打造了钢制防滑系统，并重新设计了将防滑装置连接到履带上的整个机械装置。这种防滑系统仅重两磅左右，比同级坦克类似装置轻了90%。减重成功，再配上650匹的V8发动机，Ripsaw每磅动力输出约为M1AAbrams的9倍。 在做好日常工作的同时--迈克是金融顾问，吉奥夫是一家工厂的小头头———这两位自学成才的工程师还把Ripsaw样车从缅因州的工场拖到华盛顿，参加了2005年华盛顿汽车展，吸引了军方无人地面车(UGV)开发人员的注意，并获得缅因州参议员苏珊·科林斯———帮他们从国防部争得了125万美元的资助。 2006年，兄弟俩成立了霍维和霍维技术公司，致力于制造不同版本的Ripsaw，包括一种差速驱动车。他们将该作品交给美国陆军武器研究和开发中心，后者为它配备了M240遥控机关枪，然后进行长达数月的紧张测试。ARDEC项目主管巴凡约·辛格说，Ripsaw与其他UGV的最大区别就是速度。其他UGV最高时速只有20英里左右，Ripsaw却能跟上悍马。 在公司项目经理威尔·迈克马斯特的遥控下，一辆Ripsaw径直翻过一道三英尺高的水泥墙。霍维兄弟认为，在与同类竞争军用合同时，价值76万美元的Ripsaw极具优势。“其他UGV尺寸都很小，并使用人工智能技术避开障碍，”迈克说：“Ripsaw无须躲避，它直接从上面碾过。” 03 能发电的减震器 名称：GenShock 研发成本：10万美元 耗时：2年 两年前，麻省理工学院最优秀的一群学生进行宿舍“卧谈”时，有人建议设计一个节能减震器。他们不仅说了，还真的做了，结果就是GenShock。这套系统利用汽车颠簸时的上下运动产生电力，帮助减少汽车交流发电机的工作量，最终达到省油目的。 GenShock其实是一个简单的液压系统，减震器的活塞将液体泵入，驱动液压马达和一个微型电动发电机。研究小组做出的首个样品利用四个减震器可以产生总计800瓦特的持续电力，若在坎坷不平的野地里行进，则最高可产生5千瓦的电力，约为普通汽车交流发电机所产生电量的7倍。GenShock下一代版本发电能力会翻倍，将商用卡车在铺装路面上的燃油公里数提高2%至5%，军车提高6%(军车披挂整齐时，油耗惊人，每加仑只能跑4到8英里)，而混合动力车可将GenShock发的电储存起来，最高可节能10%。 对于笨重的商用卡车来说，这套系统相当超值。“一年内省下的油钱即可值回票价，”安维德哈尼说。尽管沥青路面产生的震动相对较少，有规率的高频振动仍可产生可观的电力。锦上添花的是，如果车子配有检测路况、调整减震水平的电脑感应系统，GenShock可让它有更好的表现。 麻省理工的知识产权部门对这项专利颇感兴趣，但研发小组2007年成立了自己的LevantPower公司。一位老师将他们的发明介绍给了悍马制造商AMGeneral公司总裁保罗·J·科恩，这位退休四星上将给他们寄来一辆崭新的悍马H1，用作实验。不久，双方签订了商业合同，估计GenShock将很快出现在美军的悍马车队上。 现在，小组成员在南波士顿租来的仓库和简陋办公室之间奔波，在车上安装GenShock和数据采集装置。在500英里的真实路测中，他们用定制的小型部件取代成品，以产生更多电力，并达到军方的严苛标准，比如终生正常运行、浸水时也能高效工作、限制电噪(以免影响与其他设备的联系)，等等。 美国海军研究办公室、陆军战车研究开发工程中心和Navistar、MackTrucks等卡车制造商都对GenShock很感兴趣，只要它们有一个下了订单，这些已经毕业的年轻发明家就无须投简历求职了，GenShock就是他们的工作。 04“喉语”翻译器 名称：Audeo 研发成本：33万美元 耗时：5年 迈克尔·卡拉汉17岁时，不小心把头磕在滑板上，丧失了短时记忆。“神经通路全出毛病了，”他说。几周后他恢复正常，但事故令他陷入深思：如何帮助那些永久失去了部分日常行为能力的人？五年后，他拿出了Audeo，这个小小的装置可以探测并捕捉到大脑和声带之间交换的电子信号，并把它转换成人们听得懂的语言。 我们说话时涉及到三个最基本的步骤：肺部输送空气，声带震动，张嘴说话。Audeo意在帮助那些因为运动神经元疾病、创伤性脑损伤或其他问题出现言语障碍的人，他们大脑和声带完好，但肺部和嘴巴无法动作。 Audeo是这样工作的：三个药片大小的电极贴在喉部，捕捉大脑和声带之间发出的信号。电极内一个处理器可以过滤或者放大这些信号，然后将它们传输至附带的电脑上，电脑软件将这些信号解码，转换成单词，通过扬声器读出来。使用者通过声带运动静静“说话”，以足够的神经活动触发这一系列过程。 早在伊利诺斯大学读书时，卡拉汉就开始研制Audeo。他努力学习信号处理和神经学知识，整整花了四年功夫，才确定以何种方式过滤来自环境和身体中的不必要电噪(比如心跳)，并只捕捉语言合成所需要的信号。 美国宇航局的艾姆斯研究中心也在研发类似装置，以控制漫游器，帮助宇航员在相距甚远或很嘈杂的情况下交流。然而，他们使用的是模式识别技术，只能辨出程序预设的词语。Audeo却允许使用所有英语音素，用户想说什么就说什么，没有限制。 当然，这种技术仍有改进空间。现在使用Audeo每分钟最多只能说30个单词，大概是正常说话速度的五分之一。而且，要学会用音素“说话”还需要数日练习。但熟练掌握之后，Audeo可以达到非常优雅的效果，戴上它后，用户可以自如地打电话。卡拉汉成立的Am-bient公司正在开发一种手机界面，希望能让Audeo完全摆脱电脑，并降低售价，“我们希望它能像蓝牙耳机一样价廉物美。” 05“第六感”界面 名称：SixthSense 研发成本：350美元 耗时：8个月 戴上由迷你投影机、摄像头和笔记本电脑组合而成的“第六感”(SixthSense)，普拉纳夫·米斯特仅做一个手势，就能拍摄照片；他将手机键盘投影到掌心，点着这些虚拟号码，就能拨出电话；他指指一本书，SixthSense就会到在线书店上把它的评论和报价表调出来，投影到书的封面上。看着麻省理工研究生米斯特展示这套设备，就像在欣赏魔术表演。但他和顾问、麻省理工媒体实验室的数字交互专家帕蒂·梅恩斯希望SixthSense能召唤来更多奇迹，让人们以无缝方式操作智能数字设备，提供科幻作品中想像的交互体验。 去年10月，与人讨论科幻电影《交互报告》时，梅恩斯有了创造交互界面的想法。她喜欢电影中用手势控制数字内容的点子，但希望设备更便宜，能为大众接受，并随时随地都能投射内容，实现交互。昵称“僵尸”的米斯特听完她的构想，三周之内就做出了样品。 尽管这套设备后来改进很大，但基本思路没变：一个便携式投影机和摄像头吊在米斯特胸前，两者都与他背着的手提电脑相连，他的拇指和食指上缠着四种不同颜色的记号或胶带。当系统接通，摄像头就开始捕捉影像，传送回电脑，后者的视觉运算模块随即开始工作。这套模块是设计精髓，它会过滤背景影像，识别哪种颜色的记号往哪个方向移动，即时跟踪各种手势，最终启动各种功能。比如米斯特想知道时间，就用食指在腕部画个圈，电脑接收到这个手势后，就会指令投影仪把一块表的影像投射到他的手腕上。 今年夏天，米斯特将与韩国三星公司工程师合作，将整个系统缩小，装到该公司生产的一款内置投影仪的智能手机上。随着产品的改进，最后连手指上的记号和胶带也可以不要，设备只需追踪手指活动，你走到哪里都可以进行交互体验。 |
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06截瘫人士助行器 名称：ReWalk 研发成本：超过200万美元 耗时：10年 1997年秋摔断脖子后，以色列工程师阿米特·高弗知道他的余生将在轮椅上度过。他很快开始研究ReWalk，一种可以帮助截瘫患者站立、慢走、甚至爬楼的外骨骼结构。 现在56岁的高弗知道，他的设计不仅要安全，还要节能，能持续使用一天，“我不想让人们带上一卡车电池出门。”为此他选择了一个自己永远没有机会使用的设计———他是从胸部以下瘫痪，但是如果使用者可以借助拐杖行走，那将节省能源、简化平衡问题，不用纯粹依靠设备把人竖起来。 高弗做出的样品重44磅，只消几分钟就能“穿”上，它有几种模式，如行走、坐下和上下楼梯，用腕部一个控制器进行操纵。例如，在行走模式下，当用户伸出拐杖、身体前倾时，置于ReWalk肩带上的传感器就会记录下这个动作，背包中的电脑将解析相关数据，指导臀部和一条腿膝部上的电动马达发动，带动这条腿向前(其他外骨骼类产品是从用户的实际腿部动作或其肌肉信号中获得提示，不适合瘫痪者使用)，然后是另一根拐杖，另一次前倾，带动另一条腿前迈。当用户站直，设备就暂停运行，不再带用户往前走。 就像拐杖一样，这套设备很多配件(包括电动机和电池组)都是成品，无须定制。高弗说，ReWalk与同类产品不同之处在于其控制算法和编码。例如，他和同伴们发现在某些情况下，传感器可能会被甩脱，于是他们写了软件，记住这些差异并进行修正。软件也要过滤来自地面的震动，只在需要时启动，以免电池过早耗完；用户被障碍物绊到时，它还得飞快识别，及时复原设置，以免用户倒下，等等。 高弗说，下一代ReWalk重量会降到30磅。几位患者已经测试了样品，包括41岁的拉迪·卡约夫，他说病友们都很满意，“有了它，我可以面对面与人交谈，而非仰视他人。” 07更好的静脉导管 名称：VascularPathways 研发成本：60万美元 耗时：6年 1998年，阿米尔·拜尔森(AmirBelson)拿到斯坦福大学奖学金，从以色列飞到美国修读儿科，身边带了一份清单，上面列了64个医学发明点子。其中很多是他在以色列空军当外科医生时想出来的，还有一些是他在一个新生儿重症看护中心工作时总结出来的。其中之一就是发明更好的静脉导管，不会伤害血管和肌肉。2005年，他做出了第一个样品。 过去30年来，用于把药物和液体滴入病人身体的静脉导管设计一直没有多大变化。拜尔森发现，40%的医务人员第一次进行静脉注射时都会遭遇失败。将针刺入皮肤，盲目地向前推进，常会令静脉阻塞，影响长达数周。病人淤伤，医生精疲力竭，医院每周还得耗费数千美元支付多余的针头和劳动。人们曾试图将超声技术或红外线应用于静脉导管，但两者都十分昂贵，需要专门培训。 相形之下，拜尔森发明的VascularPathways十分实用。不管采用什么针头，使用VascularPathways的医务人员只要一看到有血通过针管回流，就知道已经找到静脉，然后就可以推动一个滑杆，将一条导引线从针内安全推出。在导管顺着导引线接进来之前，导引线卷成一个圆圆的花形，以防导管尖端伤到静脉壁。最后，针和导引线抽走，留下导管就位。“它将带来巨大变化，再也不必反复寻找静脉，”华盛顿门诊外科中心医务主任杰夫·斯图亚特说。 拜尔森在兔子耳朵细小的静脉上做了实验，他试扎了100下，只有一次失败。获得美国食品及药物管理局的批准后，四月份拜尔森开始了为期两月的病人实验。如果成功，他打算与澳大利亚TelessoTechnologies公司合作，以与现有导管相仿的价格出售VascularPathways。 08 环保鱼饵 名称：IronClads 研发成本：未知 耗时：数月 本·霍宾斯没有动手清洁他家附近的湖水，但他发明的“铁甲”(IronClads)鱼饵却切切实实地做到了这一点。这位威斯康辛发明者的创意解决了一个鲜为人知但十分严肃的环境问题：柔软而便宜的软性塑料鱼饵很受钓鱼爱好者欢迎，但其最终归宿几乎都在水底，因为人们将钓线抛出或者鱼儿咬钩时，它们非常容易脱落。一项调查表明，光是在美国水下，每年就新增2500万磅鱼饵。 2006年，酷爱钓鱼的霍宾斯决定亲自打造一种更坚固的饵料，用于冰钓。“我最讨厌在零下几摄氏度的气温里换鱼饵，”他说。作为一名前生物科技战略家，他想到植皮手术中一种常用方法也适宜于加固鱼饵：用一种具扩张性的网膜来保证新移植的皮肤完好地保持在固定的位置。最后他发明了“铁甲”，用聚酯管制成的骨架提升塑料强度，就好像加入钢筋可以令水泥墙更坚固一样。这种鱼饵牢牢地挂在钩子上，可经受93磅的拉伸强度，除了长尖利牙齿的超级大鱼，想把它咬断几乎不可能。 最初霍宾斯把造出的“铁甲”卖给当地商店，用户纷纷赞扬这种鱼饵也有环保功能，因为它轻易不会脱落并沉到水底。受此启发，霍宾斯再接再厉，抛弃有毒的塑料，改用硅树酯材料。如果被鱼儿扯掉带走，硅树酯饵会逐渐生物降解，而不是像塑化聚氯乙烯制成的软鱼饵那样释放出有毒物质。在两种版本的鱼饵上，霍宾斯都不使用能增强弹性的可塑剂，那是用邻苯二甲酸酯制成，美国国会明确禁止用于儿童玩具。现在环保型“铁甲”正接受测试，预计今年可以出现在商店货架上。 09 植物油发电站 詹姆斯·佩雷特很奇怪餐馆为什么要把炒菜后的废油扔掉，而非用来发电，供自己使用。后来他发现，原来是因为市面上没有这样的产品。 Vegaw att工作原理：肮脏的废油通过一系列油槽和过滤装置，被清洗、加热、精炼，变成可以在柴油发电机内清洁燃烧的燃料。 名称：Vegawatt 研发成本：30万美元 耗时：4年 马萨诸塞州德汉姆市一家Finz连锁餐厅后面，有个高六英尺的箱子，看上去像个普通的工具箱，事实上却是一个设备齐全、可独立运作的废油精炼厂兼功率五千瓦的发电站。工程师詹姆斯·佩雷特这个名为Vegawatt的发明是全球首个利用废油为建筑持续提供电力和热水的装置。 去年12月，在经历了每周80小时的苦干后，33岁的佩雷特在Finz安装了第一台Vegawatt发电机。Finz的油炸海鲜颇为出名，每天餐馆员工会往Vegawatt里倒进10到12加仑的废弃食油。这些掺杂着大量面包屑的垃圾先是被送入一个储存槽，进行沉淀，再经过滤、清洁和处理程序后，进入一个容器，供给一台15马力的柴油发电机作燃料。佩雷特设法将排气系统内的热量引进来，与之结合进行燃烧。Vegawatt发动机冷却液散发出来的热量也被利用来为餐馆提供热水，进一步降低了能耗。 Vegawatt售价2.2万美元，月租435美元，每周可以处理大约80加仑废油(约为一个大型餐馆的标准用量)，每小时生产5千瓦电力，每周节省1000美元，减少10%的能源成本。佩雷特刚刚建立了OwlPower公司进行推销，将Vegawatt宣传为环保省钱、又能帮助供应美味薯条和炸鱼片的新奇机器。 10 蘑菇墙板 源自森林：艾本·巴耶尔(左)和盖文·迈金泰尔希望蘑菇复合板G reensulate可以取代化工隔热防火建材。 G reensulate的强度来自数十亿条蘑菇菌丝，它们与谷壳等农业废弃物纠缠在一起，每一立方英寸的材料里含有八英里长的菌丝纤维。 名称：Greensulate 研发成本：1500美元 耗时：2年 艾本·巴耶尔和盖文·迈金泰尔准备用蘑菇为你建房。这两位年轻的企业家制造出一种成本很低但强度很高的生物材料，可以取代昂贵并有害于环境的聚苯乙烯泡沫材料和塑料，这两者是广泛使用的墙体隔热防火和包装材料，风力涡轮的叶片和汽车车体面板上也常用到它们。 “我们称之为低技术含量的生物技术，”巴耶尔说。在实验室内，两位发明者用水、过氧化氢、淀粉、再生纸和稻壳等农业废弃品做成模具，然后注入菌丝，它是蘑菇的根体，看上去就像一束束白色的纤维。这些纤维消化养料，10到14天后就会发育成一张紧密的网络，把模具变成结构坚固的生物复合板(一张一立方英寸的Greensulate板材内含有的菌丝连接起来长达八英里)。然后再用高温加以烘烤，阻止菌丝继续生长。两周之后，板材制作完成，可以用于你家墙体了。 巴耶尔和麦金泰尔同是伦斯勒理工学院机械工程系学生。决定制造生物板材后，他们用特百惠保鲜盒种过各种蘑菇，做了许多样品，实验证明这种复合板具有非同寻常的性质：制作过程中无须加入热源或光照等能量，不需要昂贵的设备，在室温和黑暗环境中就可以生长；菌丝体将稻壳包围在紧密编织的网中，产生微小的绝缘气囊，一英寸厚的Greensulate隔热值高达3，与一英寸厚的玻璃纤维隔热板相当，经得起600摄氏度的高温；你可以根据需要设计其形状、强度和弹性，任何规格的Greensulate隔热板都只需5～14天即可完成。与现有的化工产品相比，它减少了8至10倍的二氧化碳排放和4至5倍的能源需求，成本低但使用寿命长，废弃后可直接埋入土中分解成堆肥。 2007年，两人创立了EcovativeDesign公司，通过全国大学发明和创新者联盟(NCIIA)获得了16000美元的资金。一年后，现任首席运营官艾德·布卢卡和其他成员加入，大家共同合作，在阿姆斯特丹举行的“荷兰绿色创意挑战杯”比赛中获得50万欧元奖金。 目前，这种蘑菇板材已经试用于佛蒙特州一家学校的体育馆，两位发明者希望年底能够完成所有工业认证和测试，达到美国试验与材料协会(ASTM)的标准。到那时，人们可能再也没有理由使用常规的化工材料。 |
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