Прибор для чтения мыслей и предсказатель землетрясений: чем заняты юные ученые?

Вымышленных изобретателей часто можно увидеть трудящимися в больших модных лабораториях. Мастерская Тони Старка окружена голографическими экранами. Джимми Нейтрон прячет гаджеты в огромном подземном укрытии. У Вилли Вонки есть целая фабрика. Но инновации в реальном мире не требуют таких сложностей. Просто спросите финалистов конкурса Regeneron Science Talent Search этого года.

Это ежегодное мероприятие является главным национальным соревнованием по естествознанию и математике для старшеклассников (находится в ведении Общества науки). Каждый год 40 финалистов соревнуются за призы на сумму более 1,8 миллиона долларов и демонстрируют свои достижения в области науки и техники.

В линейке 2022 года есть несколько молодых изобретателей, которые превратили свои подвалы, ванные комнаты и гаражи в мастерские. Самодельные технологии подростков могут улучшить существующие протезы, системы предупреждения о землетрясениях и авиаперелеты.

Разум над машиной

Цель Бена Чоя проста: создать машины, которые смогут читать мысли.

Когда Бену было всего восьми лет, он увлекся управляемыми разумом протезами. Все началось с просмотра документального фильма об искусственных конечностях, которыми управляют имплантированные в мозг устройства.

«Я был действительно поражен, — вспоминает 17-летний старшеклассник Потомакской школы в Маклине, штат Вирджиния. — Но это также вызывало у меня беспокойство». Имплантация электродов требовала рискованной операции на головном мозге. И эти протезы стоят сотни тысяч долларов.

«На самом деле они не так уж доступны», — говорит Бен. «Эта мысль стала навязчивой».

Чтобы управлять новой роботизированной рукой Бена Чоя, пользователю просто нужно подумать о том, как он хочет двигать рукой, надев на лоб набор электродов.

В 2020 году Бен решил создать собственную неинвазивную и недорогую бионическую руку. Он открыл мастерскую на столе для пинг-понга в подвале. Его первый прототип был построен с помощью небольшого 3D-принтера, позаимствованного у сестры. После обновления своего дизайна более 75 раз Бен продемонстрировал усовершенствованную версию руки с использованием смолы промышленного класса. Изготовление по-прежнему стоит менее 300 долларов.

Рука управляется электродами, надетыми на лоб. Эти датчики считывают электрическую активность мозга или мозговые волны . Мысли о различных движениях рук, таких как взмахи руками или сжатие кулаков, создают различные паттерны мозговых волн. Система искусственного интеллекта, или ИИ, расшифровывает эти мозговые волны, чтобы двигать роботизированную руку.

Систему ИИ нужно было научить интерпретировать эти мозговые волны. Бен собирал данные о мозговых волнах добровольцев в своей школе и в своей семье. «От участников я получил, может быть, час или два мозговых волн», — говорит он. «Это много тысяч точек данных». Изучение этих данных помогло системе ИИ научиться читать мысли».

По его словам, в первых тестах роботизированная рука Бена оказалась такой же проворной, как и лучшие в мире протезы, управляемые мозгом. Эти результаты должны быть подтверждены клиническими испытаниями. И если они будут пройдены, эта бионическая рука может изменить правила игры в области протезирования. И зачем останавливаться на бионических руках? Подобные системы ИИ могут когда-нибудь управлять инвалидными колясками или другими устройствами для чтения мыслей.

Персональные детекторы землетрясений

Вдохновение для изобретения Вивьен Хе пришло к ней дома. Она учится в старшей школе на полуострове Палос-Вердес в Роллинг-Хиллз-Эстейтс, Калифорния. Выросшая в Южной Калифорнии, эта 18-летняя девушка провела много времени, съежившись под школьной партой во время учений во время отработки действий в случае землетрясения. Эти подземные толчки являются самыми смертоносными стихийными бедствиями в мире. И они непредсказуемы.

Давайте узнаем о землетрясениях

Существуют системы раннего оповещения о землетрясениях. Одной из них является система ShakeAlert на западном побережье США. Сейсмические станции в сети ShakeAlert обнаруживают колебания грунта во время землетрясения. Затем эти станции предупреждают людей о том, что земля под ними может вскоре начать грохотать. Но трудно предсказать, насколько сильно будет трястись земля в том или ином месте. А людям, находящимся ближе всего к очагу землетрясения, повезло меньше всего — они почувствуют тряску, прежде чем получат оповещение.

Чтобы люди могли лучше видеть землю под ногами, Вивьен построила домашний датчик землетрясений.

«Мне нравится сравнивать его с детектором дыма, но для землетрясений», — говорит она.

Это устройство, получившее название Qube, использует датчик движения, называемый геофоном, чтобы ощущать легкие толчки, которые могут означать начало более крупного землетрясения. Затем он может предупредить пользователей, подав звуковой сигнал или отправив текстовые оповещения.

Новое устройство Вивьен Хе для определения землетрясений, названное Qube, имеет размер кубика Рубика и стоит меньше 100 долларов.

Изготовление Qube размером с кубик Рубика стоит менее 100 долларов. Чтобы построить его, Вивьен купила паяльный прибор, и посмотрела видео на YouTube, чтобы научиться им пользоваться. Потом она обустроила мастерскую в ванной комнате для гостей. «Я всегда была очень практичным человеком, — говорит она. Она с увлечением собирала каждый новый Qube, включая на фон старые кинофильмы.

В течение девяти месяцев испытаний Qube Вивьен обнаружил все землетрясения силой более 3 баллов вокруг Лос-Анджелеса. Данные движения, полученные ее Qube, также совпали с данными ближайшего сейсмометра в сейсмической сети Южной Калифорнии. Вивьен поделилась этими результатами в декабре в Seismological Research Letters .



Сейчас Вивьен строит сеть Qubes по всему Лос-Анджелесу. «У меня восемь устройств в разных домах, — говорит она. Широко распространенная сеть Qube может выполнять ту же роль, что и сейсмические станции ShakeAlert. Когда один Qube начинает трястись, он может предупредить жителей города о приближающемся землетрясении. Но в отличие от сейсмических станций Qubes крошечные и недорогие. Так что по городу их можно было бы установить намного больше.

По словам Вивьен, конечной целью является создание такой недорогой сейсмической сети в районах с низким доходом, которые могут быть более уязвимыми для землетрясений. «Я хочу иметь возможность разместить сеть, подобную той, которую я создаю сейчас, в таких сообществах по всему миру».

Модернизированное крыло

Подобно Бену и Вивьен, 17-летний Итан Вонг модернизирует существующие технологии. Его специализация: самолеты.

Почти все самолеты имеют хвост. Хвост удерживает нос самолета от отклонения во время поворота. Конструкция добавляет устойчивости, но утяжеляет самолет. Специально разработанные крылья самолета могли бы выполнять ту же функцию, что и хвост. Это может повысить эффективность полетов и сократить экологические издержки авиаперелетов . Но есть одна загвоздка. Эти крылья должны изгибаться очень точно, что затрудняет их изготовление.

Итан был очарован такой конструкцией самолета, когда увидел видео, на котором самолет NASA Prandtl-D грациозно скользит по воздуху без хвоста.


«Я просто подумал, что это действительно круто», — говорит Итан.

Он учится в старшей школе Аркадии в Калифорнии. Итан строит модели самолетов для развлечения. Он задавался вопросом, сможет ли он найти более простой способ добиться такого же бесхвостого полета.

Создатель моделей самолетов Итан Вонг разработал набор крыльев, которые могли бы сделать самолеты более эффективными в полете.

«По сути, то, что я делал, было просто методом проб и ошибок, — говорит Итан. Используя компьютерную модель крыла самолета, он регулировал угол закручивания крыла до тех пор, пока не получилось исключить хвост. Обычно такое крыло «требует непрерывного распределения крутки крыла», — говорит Итан. Но он мог добиться аналогичного эффекта с крыльями, у которых было всего несколько секций поворота. «Это очень легко сделать».

В своем гараже Итан построил модели самолетов, используя пенопласт и упаковочную ленту, чтобы проверить свою конструкцию. «Увидеть самолет в воздухе было довольно круто, — говорит Итан. «Он просто летал очень и очень хорошо».

Более легкие и эффективные самолеты могут открыть двери для других инноваций в сфере авиаперевозок. «Моей давней целью было построить самолет на солнечных батареях, который мог бы летать в течение дня благодаря солнечным панелям на крыльях», — говорит Итан. «Это абсолютно реально для действительно эффективного самолета».

Для других подростков, таких как Итан, имеющих большие инженерные идеи, которые они хотят исследовать, есть одно слово: настойчивость.

«Никогда не сдавайся, — говорит он. Даже когда некоторые механизмы кажутся невозможными для понимания, полезно помнить, что величайшие изобретатели в мире тоже были всего лишь людьми. Кроме того, просто убедитесь, что вам нравится все, что вы делаете. Это сделает все намного проще»,- добавляет Итан.

Победители конкурса

Первое место заняла 17-летняя Кристин Йе — и выиграла 250 000 долларов — на  конкурсе Regeneron Science Talent Search этого года. Подросток из Саммамиша, штат Вашингтон, изучает гравитационные волны , испускаемые при мощных столкновениях нейтронных звезд (схлопнувшихся сверхплотных звезд) и черных дыр . Кристин проанализировала данные, собранные Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), для моделирования быстровращающихся нейтронных звезд. Она показала, что быстровращающаяся нейтронная звезда может быть сверхмассивной, но при этом меньше черной дыры.

Занявший второе место Виктор Кай из Орефилда, штат Пенсильвания, заберет домой 175 000 долларов. 18-летний парень создал узкополосный радар ближнего действия с точностью до 12 сантиметров (4,7 дюйма). Виктор надеется, что такая технология может оптимизировать пропускную способность для беспилотных автомобилей, чтобы на дорогах можно было разместить больше автомобилей.

Третье место и 150 000 долларов достались 18-летней Эмбер Луо из Стоуни-Брук, штат Нью-Йорк. Она разработала компьютерную программу (RiboBayes), чтобы посмотреть, как болезнь может изменить ключевые области в одной цепи РНК — участки, которые контролируют производство клеточных белков. Эмбер надеется, что ее исследование поможет ученым лучше понять, что лежит в основе таких состояний, как болезнь Альцгеймера и рак.

Семь других старшеклассников забрали домой от 40 000 до 100 000 долларов. Остальные 30 финалистов получили по 25 000 долларов каждый.

Перевод статьи «Teen inventors say: There’s got to be a better way»

__________________________

Читайте нас в телеграм: https://t.me/granitnauky


и Facebook: https://www.facebook.com/granit.nayki/


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше