http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-04-30
自从2007年《大众科学》杂志设立“年度发明大奖”以来，这个专题见证了众多新锐发明家的诞生。新的材料、廉价的3D打印工具和网络为今天的发明家们提供了更方便的发明环境。今年入选的10大发明，无论是售价不超过30美元的纸板自行车、解决边远地区照明问题的重力灯，或是专门为太空旅游者设计的宇航服，都试图帮助解决这个世界面临的迫切问题，利用新的材料和技术，以最低成本实现最大效率。
1家用飞机
产品名：Synergy研发成本：未知成熟度：2/10
谁也不喜欢机场的拥挤、飞机的经常晚点、安检程序的繁琐缓慢，因此约翰·麦克吉尼斯认为，如果可能，普通家庭更愿意拥有私人飞机，于是，在父亲、儿子和二十多位志愿者的帮助下，他决定改造私人飞机。不同于今天价格动辄超过房屋的小型飞机，麦克吉尼斯说，他发明的Synergy私人飞机价格更便宜、更安静，每加仑燃油可飞行40多英里，燃料利用率是普通小型飞机的3倍。
47岁的麦克吉尼斯小学二年级第一次乘坐飞机。私人飞机的低效率让他感到困扰，于是他用了20多年的时间自学航空工程学和流体动力学。一天，他在女儿们的卧室里浏览科学期刊，偶然读到一位N A SA (美国宇航局)研究者挑战传统气动阻力公式的论文。麦克吉尼斯看到了它的潜力。“我走出孩子们的房间，激动得语无伦次，像疯子一样对我的妻子直嚷嚷，”他说，“亲爱的，你永远不会相信。我刚刚解决了从孩童时代就一直困扰我的问题。”
Synergy的机翼向上弯曲成一个盒子的形状，可以最大化减少阻力，增加效率。每个机翼的上半部向机身后方延伸，相当于尾巴，同时又可提供更大的飞行稳定性。这种双盒子形状的机尾还可抵消龙卷风式的漩涡，使得滑行更加轻易。推进器被从飞机前端移到了子弹形机身的尾部，有助减少噪音，增大推力。
麦克吉尼斯在他父亲的车库里研制Syn-ergy，他用一台电脑数控机和定制的模具制造零部件，用3D软件快速实现新的构思。家庭成员组成了设计团队的核心，麦克吉尼斯的儿子凯尔是团队的副指挥。一个用玻璃纤维、碳纤维和凯夫拉尔材料制作的1/4大小模型证明这种崭新的机翼形状是成功的。凭借通过群体集资筹集到的8万美元资金，他们希望能够在今年之内制造出能够搭载5人的样品机。“我每周在这个项目上花费90小时，几乎没有睡觉的时间，”麦克吉尼斯说，“我知道自己的发明是独一无二的，这就是推动我前进的动力。”
2纸板自行车
产品名：Alfa Bike
研发成本：$250，000
成熟度：6/10
2009年的一天，以色列工程师伊扎尔·加夫尼坐在安静的图书馆里，设计一台给石榴去籽的机器，他的思想不知不觉飘到了自行车上。这是他最喜欢的休闲运动。加夫尼很欣赏用竹子制作的自行车，但它们的成本实在太高。他问自己，为什么不用纸板替代竹子？
在接下来两年的时间里，加夫尼学会了将纸板折叠成最坚固的形状；反复试验后，他最终得到了类似蜂窝和鸟巢的坚固结构。他又花了一年的时间，将纸板制作成自行车部件。他说，“我觉得自己就像是莱特兄弟，正在探索未知领域。”
他最终完成了一辆单速自行车，它的轮辐和主要框架均用纸板制成，再在表面涂上清漆，防止纸板受潮气侵袭。加夫尼想方设法利用废旧物资，旧汽车轮胎被改造成自行车轮胎；汽车牙轮皮带被改造成轮胎链条，塑料瓶被改造成踏板曲柄。这款自行车名叫A lfa，总重28磅，可以搭载一位体重560磅的人，载重量相当车本身重量的20倍。
加夫尼打算批量生产4种型号：两款18磅重的成人自行车，用户可选择加装充电马达；还有两款儿童自行车。他希望每辆车的材料价格不超过12美元，最终售价不超过30美元。通过在自行车上张贴广告——— 或是筹集足够的捐款——— 让发展中国家的人可以免费骑上纸板自行车。加夫尼又开始设想用纸板制作婴儿车、轮椅、甚至汽车。他说，“这种廉价的材料可以做成几乎任何东西。”
3毒气过滤头盔
产品名：WindMaker H elm et
研发成本：$200，000
成熟度：8/10
1999年，金属电焊工人迈克尔·布克曼到一家铝厂工作，上班第一天，开工仅30分钟，他就因为吸入太多有毒气体患上急性支气管炎，整整病了3天。康复期间，布克曼一直在思考可否用电焊头盔过滤有毒气体。“但是当时的市面上根本没有这样的头盔。”于是，他开始设计WindMaker——— 一款可以防止肺部受损的头盔。
WindM aker从头盔后面吸取新鲜空气，推动空气穿过过滤器，再吹向前方，新鲜空气在冷却皮肤的同时还可防止玻璃面板前烟雾笼罩。安装在下颌旁边的一个风扇可帮助排出空气，吹散工作区内的有毒烟雾。玻璃面板两侧的LED可帮助照明，此外还有一层厚厚的阻隔火花的隔热防护材料。
多家公司已经对这款头盔表示了兴趣。但是，在正式开始销售之前，WindM aker首先必须经过美国国家职业安全卫生研究所的空气过滤功能测试。如果这一装置最终通过检验，将能够为电焊工人们提供多重保护。
布克曼还在考虑给他的头盔加上其他高科技配件，比如无线通信装置、太阳能电池板、视频摄像机和电子显示器。无论最终的头盔还会添加什么功能，布克曼对于他的安全防护作用充满信心。“我在工作时受伤，”他说，“这惨痛的切身体验促使我设计出这款头盔。”
4卡车尾气驱动的空调
产品名：H Y P E R A P U
研发成本：$800，000
成熟度：6/10
半拖车(一种可拖挂车厢的18轮大卡车)的司机们经常让引擎空转，以便保持驾驶室的供暖或冷气，在美国，这一做法每年浪费掉10亿加仑燃料。安装在驾驶室背部的小型引擎——— 又叫辅助电源(A PU )———可以达到同样的效果，但更节省燃油，缺点是噪音大且散发难闻的气味。安大略的几位工程师和机械师发明了更好的解决方案：一款用卡车尾气(废热)驱动的辅助电源H YPER。
这5人原本计划设计一辆100英里油耗仅1加仑的汽车，参加“环保汽车X大奖”的角逐。在一次讨论会上，有人提出：为什么不利用汽车的尾气来驱动空调系统？小组成员杰克·麦克唐纳说，“我们做了很多的模拟试验，意识到这个方案是可行的。”他和另外两人决定投入全部时间发明一款新型辅助电源装置。
H Y PE R的原理类似一台家用电冰箱，但大小只有冰箱的1/3。H YPER制冷的方式是给一种高压下呈液态的制冷剂减压，使之膨胀汽化(这一过程会吸收热量)。气体凝结回归液态后又重新开始循环。但冰箱用电力来驱动这一循环，而H Y PER则利用半拖车排放温度高达349℃的尾气。麦克唐纳说，拖车行驶1小时所产生的废热转化为电能足够为驾驶室提供6至10小时的暖气或冷气。根据初步测试，他认为这款装置可让货车司机的年耗油量减少9%，碳排放量减少20吨。
H YPER正在一辆经过改装的半拖车上进行测试，预计2014年可以投向市场。美国道路上行驶着约250万辆大卡车，不难想象，H YPER的应用将会带来多么巨大的影响。设计小组还希望将它应用到巴士、房车、客车等其他车辆上。麦克唐纳说，“它可以帮助大幅减少汽车的碳排放、节省燃料、减少对外国石油的依赖。”
5机器表演者
产品名：R oythe R obot
研发成本：$9，000
成熟度：4/10
布莱恩·罗艾花了近10年时间为电影制作各种机器怪物。《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，几乎在一夜之间，好莱坞就抛弃了机器角色，用电脑动画取而代之。罗艾现在担任技术顾问，但是，随着简单易操作的廉价微型电子装置的出现，他发现了一个新的机器人市场。“过去，电子装置和自动化软件距离普通人的生活很遥远，”罗艾说，“但在过去6至8年时间里，情况完全改变。”因此，罗艾开始研制一款低成本装置，用于向爱好者传授机器人技术。他称他的发明为“机器人罗依”。
现在，机器人罗依还只有一个头、一个脖子、一对手臂和一双灵活的手。多达1200个零件在电子动画软件控制下，使得这个机器人模仿起人来惟妙惟肖。罗伊的身体用一种轻质木材精确切割而成。28个辅助马达帮助它完成各种手势，活动手腕、脖子和下颌，甚至还会眨眼睛。
为了完成机器人的上臂和肩膀，罗艾发动了一场成功的群体集资运动，投资人可获得一个D IY工具包，自行组装成罗伊的手和手臂。最终，他希望这款工具包的售价在300美元左右。卡内基梅隆大学的机器人学家悉达多·斯里尼瓦沙说，“目前最廉价的机器手臂的售价也得2万美元上下。”
罗艾估计，包括躯干和腿的完整机器人D IY套装售价可能达到3000美元，他还希望能给它装上人工智能，让它自己学习人类的动作。“但我的主要目标依然是帮助人们自己制作机器人，了解它们的工作原理，学会如何为它们编程，”罗艾说，“因为，最终，人类将生活在一个高度自动化的社会中。”
6亚轨道宇航服
产品名：T hird G eneration (3G ) S uit
研发成本：$300，000
成熟度：6/10
2007年的N A SA宇航员手套挑战赛中，特德·绍仁结识了另一位参赛者、俄罗斯宇航服设计者尼科莱·莫伊谢耶夫。虽然两人都未能夺奖，却一见如故成了朋友。两年后，他俩合作设计的一款手套夺得了10万美元奖金。
绍仁和莫伊谢耶夫目前正在研制第3代全套宇航服，希望能够在未来的亚轨道太空旅游市场中占据一席之地。据估计，未来10年，亚轨道太空旅游的产值将达16亿美元。维珍银河、S paceX、X CO R和BlueO rigin等多家公司都准备开辟亚轨道太空游航线。绍仁说，太空的危险环境开辟了新的市场。“在上面几乎是绝对的真空。”
现代宇航服每套售价约20万美元，几乎比太空旅行的机票还要贵。宇航服大多有一层充气内胆，外面是一层坚固耐磨的外套——— 两层的设计让它们厚重、庞大，极不灵活。然而，“对于亚轨道旅游者而言，舒适是必备条件，”太空医学顾问乔纳森·克拉克说，“要知道，他们花费了大笔钱来游玩。”
2009年，绍仁和莫伊谢耶夫开始研制单层宇航服，预期最终每套售价约5万美元。他们采用耐磨、不透气、柔软的聚氨酯涂层尼龙为衣服材料。充气之后，巧妙安置的接缝可确保穿着者保持肢体灵活。内置管道循环空气帮助降温。衣服前面的接口可接插生命保障装置。
任何新式宇航服要投入使用必须经过N A SA的认证，这一程序并不便宜。于是，去年，绍仁和莫伊谢耶夫通过互联网寻求群体集资，共筹集到2.7万美元，距离制造出最终样品还差最后10%的资金。他们已经开始对关键部件进行飞行测试，并引起了私人航空业的关注。“不久前，前宇航员加里特·雷斯曼(SpaceX公司的安全专家)登门拜访。”绍仁说，“我们设计的一套第2代加压服给他留下深刻印象。”
7智能探测球
产品名：B ounce Im aging E xplorer
研发成本：未知
成熟度：7/10
2010年，在海地大地震之后，国际搜救小队纷纷飞抵太子港搜寻幸存者。当时还在读大学的公共政策专业学生弗朗西斯科·阿格拉从新闻中获知，救援小组大多采用复杂昂贵的成像系统搜寻幸存者。“只有少数的救援团队拥有这类装备，而且它用起来很复杂，需要经过专业培训。”不久，阿格拉自己成立了一家公司，专门研究更简单的灾区搜救工具：一款廉价的，可抛投的，篮球大小的探测器。
这款探测器名叫弹跳成像探测器(B ounceIm agingExplorer)，有一层减震外壳，内置6个照相机、一组近红外LED充当闪光灯。使用时，先将这个球形探测器与智能手机或平板电脑连接，再将它抛掷到需要探索的危险地区。它会立刻开始拍照，检测甲烷、一氧化碳和危险的高温。球内的微型处理器将照片拼接起来，再将采集到的原始数据转换后用Wi-Fi传送给智能手机/平板电脑。在探测球抛出几秒钟后，连接设备上就能收到配有各种重要参数的全景图。
阿格拉说，除了灾区之外，这款智能探测球还可用于火灾现场、解救人质、战场。他和所有潜在的用户取得联系，希望听取他们的意见。在最初18个月里，他的公司根据目标用户的反馈不断修改设计，推出了几十种方案。比如有几位警察说，他们希望能够听到探测房间内的声音，阿格拉立刻在探测球里加装了一个数字麦克风。
警察、消防员、士兵、核电站检查人员都表示愿意测试这款新装置。阿格拉希望智能探测球的最终售价在500至1000美元之间。“我们希望尽量降低成本，让它能够被应用到更多场合。”
8重力灯
产品名：G ravityLight
研发成本：超过$300，000
成熟度：8/10
全球超过7.8亿人依然靠煤油照明。但这种燃料价格昂贵，燃烧时会释放有毒物质，而且容易引起火灾。2008年，伦敦工业设计师马丁·里迪福德和同事吉姆·里弗斯决定创造一种更廉价安全的照明工具。
里迪福德知道，下落的重物足以产生足够能量驱动一个有摆落地大座钟，那么同样的原理是否可用于照明？为了找到答案，他将一个手动发条手电筒连上一个自行车轮。然后再将一个重物悬挂在车轮上使之旋转；轮子带动发条，成功让电筒亮起来。
接下来4年里，里迪福德、里弗斯和一个小团队将空余时间都耗在一个地下室里，不断改进重力灯的设想。这款灯使用起来并不复杂：先将装置挂起来，往配套的口袋中装入28磅重的土石或其他重物，把负重的口袋挂在一条打孔带上，袋子的重力慢慢地拉动打孔带，带动一系列齿轮驱动一个小马达，为一盏LED灯连续提供30分钟电能。
设计小组利用网络筹集到的资金生产了1000个重力灯，准备送到发展中国家接受检验，另外6000个被赠送给了投资者。里迪福德说，“让我们倍感欣慰的是，我们的工作能得到如此多的正面评价。”除了边远乡村，重力灯还适用于野外露营，或是任何没有电源插座的黑暗空间。里迪福德还希望推出一款零售版，计划售价不超过10美元。
9高强度运动假肢
产品名：V ersa Foot
研发成本：$15，000
成熟度：9/10
2008年，在一场职业雪地摩托车比赛中，迈克·舒尔茨驾驶的车辆突然失控，他的左腿膝盖在事故中完全粉碎，医生被迫将膝盖及以下部分全部切除。“手术后，我看着妻子说，‘现在我们该怎么办？’”舒尔茨说，“我是一名职业运动员，截肢后恐怕将无法再继续从前的工作。”
舒尔茨的直觉是对的：传统假肢无法承受他从事的高强度运动。于是，2009年初，舒尔茨专门设计制造了一条可以承受巨大冲击力的假肢。关键部件是带动力的膝关节，它利用一款可调节的山地车减震器，通过气压控制关节的硬度。但是，滑雪和滑板运动员还需要使用脚趾和脚踝的力量，于是，舒尔茨又添加了“V ersa假足”———用空气减震器模拟关节功能的人造足+踝。组合起来，两个部件构成一条防水又抗震的下肢，适用于一系列的高强度体育运动。
不久前，舒尔茨返回赛场，在2013年阿斯彭极限运动会上夺得一枚金牌。今年春天，他将开始销售改进版的运动假肢。目标用户不仅包括截肢的运动员，还有一些在战场上失去下肢的士兵。“这个项目的初衷只是为了让我能继续做自己喜欢的事情，但现在它的意义早已不仅于此，”舒尔茨说，“能够帮到更多的人，就已经证明了它的价值。”
10数字吉他
产品名：Jam S tik
研发成本：$1，000，000
成熟度：9/10
还是孩童时，电气工程师丹·苏利文学会了弹吉他。然而，现在，他十多岁的儿子却更喜欢玩电子游戏。在苏利文看来，如果把玩游戏的时间用来演奏真正的乐器，足以造就一位熟练的音乐家。“到了我这个年纪还可以炫耀一下自己的吉他演奏技能，”58岁的苏利文说，“而玩游戏最终又能给你带来什么？”
7年前，苏利文辞去了视频广告公司首席技术官员职务，开始研究Jam Stik———一款数字六弦吉他。这款小巧的装置，和真正的吉他一样有音品和弦，但无需调音，也不像很多数字乐器一样需要按钮。内置的小型感应器可通过52个红外LED跟踪手指的运动。
由于这些感应器相距只有几毫米，重叠的信号被过滤掉，确定手指的精确位置。它们还能跟踪细微的指法变化。一个内置微处理器将原始数据转换成标准音乐指令(M ID I)，通过无线天线传输给同步的iPad或笔记本。
由于感应器的感应范围可到达指板之上半英寸，在手指触弦之前，感应器就已收到信号。这使得配套软件———比如Jam T utor———可实时标示手指位置，方便弹奏者自我修正。Jam Stik还可以和上百种W i-Fi应用程序配合使用。苏利文估计这款产品可在2013年底开始销售，他希望，“它能够帮助年青一代认识创作音乐的乐趣，而不只是做一个被动的音乐消费者。”
卡车尾气驱动空调的工作原理
1) 349℃的卡车尾气加热流过交换器的低压制冷剂。
2)第二个交换器给加热后的制冷剂加压。
3)制冷剂经过喷嘴减压后变成气体，使得相邻环形管中的冷却剂温度降至-5℃。
4)隔热舱储存低温冷却剂。
5)风扇将空气吹过一排装满低温冷却剂的管道，给卡车驾驶室提供冷气。
6)冷却剂凝结成液体，重启循环。
重力灯工作原理
1)重力拉动口袋下降，拉动一条打孔带，再带动一系列塑料齿轮。
2)齿轮旋转驱动一个电马达。
3)马达为一个小LE D灯提供能源，可连续照亮30分钟——— 即口袋落到地面所需的最长时间。
4)这一装置还可用于驱动低电压装置，整套系统可重复使用数千次。
原载：http：//w w w .popsci.com
编译：宇
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