20 главных инженерных достижений 2014 года

2014 год близится к концу, и постепенно приходит время подводить итоги. Не так давно мы писали о десятке лучших аэрокосмических подвигов 2014 года по версии PopSci, теперь же пройдемся по прекрасным выходкам инженеров разных мастей и профилей. Много интересного произошло. В десятку все не уместишь.

Обтягивающий скафандр для исследования планет

Разработка: MIT

Доктор Дэва Ньюмен, профессор аэронавтики, астронавтики и инженерных систем в Массачусетском технологическом институте, создала собственный прототип скафандра, вдохновившись биоинженерией. Сжимающая многослойная ткань тонко подстраивается под носителя и должна заменить неуклюжие и устаревшие скафандры космонавтов.

«В обычных скафандрах вы представляете собой воздушный шар, наполненный газом, который компенсирует отсутствие атмосферного давления, чтобы спасти вас от безвоздушного пространства, — говорит Ньюмен, последние десять лет проработавшая над созданием своего скафандра. — Мы хотим достичь того же уровня давления, но путем механического противодавления — применяя давление непосредственно на кожу, таким образом избегая давления газом вообще. Мы соединили пассивные эластичные и активные материалы».

В конечном счете мобильности современным скафандрам очень не хватает, а легкий и надежный костюм пригодится в освоении новых планет, например, Марса.

Создан самый маленький и быстрый наномотор в мире

Разработка: Техасский университет в Остине

Прорыв в создании миниатюрных наномоторов позволит инженерам создать сверхбыстрых миниатюрных роботов для лечения рака.

«Самый миниатюрный, быстрый и долгоиграющий крошечный искусственный мотор готов к выходу. Команда инженеров осуществила важный шаг в разработке миниатюрных машин, которые однажды смогут двигаться по телу и доставлять инсулин для диабетиков, когда это будет нужно, либо находить и лечить раковые клетки, не повреждая целые».

Робот-гепард и робот-кенгуру

Разработка: Festo AG и MIT

Можно с уверенностью заявить, что у роботов в виде животных был хороший год. Ученые из Festo AG в Германии разработали бионического кенгуру, который технически воспроизводит уникальный метод передвижения этого сумчатого животного. К тому же его можно позвать простым жестом руки.

А в Робототехнической лаборатории (Biomimetics Robotics Lab) Массачусетского технологического института разработали «алгоритм, который позволил успешно разработать роботизированного гепарда». В настоящее время скорость движения робота ограничена 15 км/ч, но ученые ожидают разогнать его до 45 км/к, то есть почти до половины скорости настоящего гепарда на свободе. Санбе Ким, инженер-механик в MIT, описал, чем конкретно интересен этот робот:

«Большинство роботов вялые и тяжелые, не могут контролировать силу в ситуациях на высокой скорости. Это делает гепарда от MIT особенным: вы можете контролировать балансом сил в течение короткого периода времени, сопровождающимся тяжелым столкновением с землей, поэтому робот стабильнее, подвижнее и динамичнее остальных».

Солнечная энергия стала эффективнее

Разработано: Университетом Нового Южного Уэльса и Института солнечной энергетики Фраунгофера

Инженеры из Университета Нового Южного Уэльса объявили, что достигли прорывного 40,4-процентного КПД, оснастив уже имеющиеся в продаже солнечные батареи зеркалами и фильтрами, снижающими потери энергии. Однако знатоки оперативно поправили ученых, указав, что «у немцев уже 44,7% эффективности». Все варианты верны, и этот год стал весьма важным для развития солнечной энергетики.

И хотя мы пока не готовы отказаться от ископаемого топлива, близится день, когда это случится.

Недорогая «лакмусовая бумажка» для рака

Разработано: MIT

Еще одна команда исследователей Массачусетского технологического института, в этот раз ведомая биоинженером Сангитой Бхатия, разработала простой и недорогой бумажный тест, который поможет улучшить показатели диагностики рака и помочь людям получить лечение раньше. Диагностика работает подобно тесту на беременность и в течение нескольких минут, взяв за основу образец мочи, может указать, если ли у человека рак.

В странах с неразвитой медицинской инфраструктурой такой тест может совершить настоящий переворот.

Камуфляж «осьминога»

Разработано: Университет Хьюстона, Университет Иллинойса, Северо-Западный университет

Головоногие (осьминоги, каракатицы, кальмары) могут быстро изменять окраску для маскировки. Доктор Куньчжан Ю, инженер-механик Университета Хьюстона, возглавил коллаборацию ученых из Университета Иллинойса и Северо-Западного университета, чтобы повторить эту механику уже в искусственно сделанном камуфляже.

Хотя ранее похожие технологии уже разрабатывались, Ю первым внедрил автономную адаптацию.

«Наше устройство видит цвета и распознает их. Оно считывает окружающую среду, используя термохроматический материал».

Прототип, разработанный ученым, работает в белом и черном цветах с оттенками серого, но Ю говорит, что в процессе разработки находятся все цвета спектра. И хотя пока прототип меньше квадратного дюйма в размерах, его можно легко масштабировать для производства.

Гибкая кожа устройства состоит из ультратонких слоев, включающих полупроводниковые приводы, переключающие компоненты и фотоэлементы между неорганическими отражателями и органическими меняющими цвет материалами, чтобы устройство могло автоматически подстраиваться под расцветку окружающей среды.

Ученые описывают свою работу как состоящее из точек устройство, включающее ключевые элементы кожи головоногих, кроме иридофор и центральных глазных органов.

Рой роботов, имитирующих термитов

Разработано: Гарвард

Гарвардская школа инженерии и прикладных наук разработала автономную роботизированную конструкцию, которая имитирует поведение термитов:

«Эта система не нуждается ни в руководителе, ни в глазу на небе, ни в коммуникации. Она использует простых роботов — любое число — которые сообщаются, изменяя окружающую среду».

Система TERMES продемонстрировала, что коллективная система роботов может создавать сложные трехмерные структуры без необходимости наличия командной структуры или предписанных ролей.

Карманный детектор молекул

Разработано: Consumer Physics, Израиль

Допустим, вы человек, который на самом деле хочет знать все о яблоках, которые есть. Или изучать, из чего состоят конкретные вещи. Тогда SCiO, карманный спектроскоп, который синхронизируется с вашим смартфоном, может стать вашим новым лучшим другом.

Consumer Physics — компания, разработавшая SCiO — запустила кампанию на Kickstarter в этом году, чтобы поставить проект на ноги и вывести его на массовый рынок. Вот как работает их устройство:

• вы сканируете интересующий вас объект с помощью SCiO в течение 1-2 секунд;
• приложение на iOS или Android отправляет результаты в облако;
• алгоритмы обрабатывают данные в режиме реального времени;
• результаты анализа можно проверить с помощью смартфона c включенным Bluetooth.

А вот рецензия VentureBeat:

«В первую очередь, SCiO обзаведется приложениями для анализа еды, медикаментов и растений. Вы сможете улучшить ингредиенты крафтового пива, сваренного дома, или определить качество нового лекарства. Впоследствии компания добавит возможность проверять образцы косметики, одежды, растений, почвы, драгоценных камней, ювелирных украшений, кожи, резины, масла, пластмассы и даже тканей или жидкостей человеческого тела».

Крупнейшая в мире закрытая ферма в Японии

Разработка: Mirai, Япония

С невероятно плохими заголовками типа «Салат смотрит в будущее», многие ожидали, что самая большая закрытая ферма в мире будет ерундой, а не наукой. Но мы ошибались.

Под руководством опытного ботаника, Mirai построила крупнейшую в мире ферму закрытого типа — 2,3 квадратных километра, если точно — на месте старого завода по производству полупроводников. В садах работает 17 500 светодиодов, а окружающая среда свободна от бактерий и пестицидов. Вы спросите, почему это интересно?

1. Такой процесс взращивания зелени происходит быстрее и производит меньше отходов, требует меньше воды и удобрений.
2. Производство салата под светодиодами протекает в 2,5 раза быстрее, чем на солнечном свету.
3. Mirai удалось снизить процент потерь от промышленных 30-40% до менее 3%.
4. Такая ферма снизила использование воды до 1%.
5. Каждый день вырастает 10 000 листьев свежего салата.

Робосудостроители Daewoo

Разработка: Daewoo, Южная Корея

Кораблестроителям и морским инженерам Daewoo не привыкать к невероятным инженерным подходам. Но все же превращение судоработников в суперменов, которые могут поднимать 100-килограммовые куски металла как перья, не осталось незамеченным. Это стало возможным благодаря разработке небольших экзоскелетов.

Прототип роботизированного костюма весит порядка 28 килограммов и подходит людям с разным ростом. Работники могут ходить своей нормальной походкой, а костюм будет помогать им перемещать объекты весом до 30 килограммов в течением минимум трех часов. Инженеры также планируют увеличить подъемную мощность до 100 килограммов.

Саморемонтирующийся пластик

Разработка: Университет Иллинойса

Вы бы потратили немного больше на смартфон с экраном, который самовосстанавливается каждый раз, когда вы его разбиваете?

Благодаря инженерам Университета Иллинойса, этот день может наступить очень скоро. В этом году они представили полимер, который автоматически закрывает дырочки шириной до 3 сантиметров — это в сто раз больше, чем было возможно раньше. В основе полимера лежит сеть капилляров, похожих на систему свертывания крови человека, которые обеспечивают доставку химических веществ в поврежденные зоны.

Но самое приятное в том, что материалы, из которых создается этот полимер, относительно дешевы и распространены:

«Ключевое преимущество материала в том, что ему не нужен катализатор и низкая температура, и он может восстанавливаться много раз. Идеальный материал для ремонта внутренних трещин. Он может заделать их до того, как они распространяться повсюду».

Другие системы самовосстанавливающихся материалов в основном опираются на твердые и прочные материалы. Новое исследование же обращается к эластическим материалам из полимочевины, одного из наиболее широко используемых классов полимеров в потребительских товарах типа краски, одежды, эластика и пластика.

Что-то вроде ховерборда

Разработка: Art Pax

Наши мечты из «Назад в будущее», наконец, осуществляются. В этом году Art Pax запустила кампанию на Kickstarter, продвигая Hendo Hoverboard, парящую доску, или скейт, под шумные аплодисменты фанатов Марти Макфлая.

Однако (и это большое однако) парящая доска работает только на металлических поверхностях за счет электромагнитной подвески. Почему же тогда эта доска попала в список? Говорят, Hendo Hoverboard использует оригинальную идею применения электромагнетизма:

«Теорема Ирншоу утверждает, что невозможно создать высокостабильную магнитную левитацию, когда ни одно из полей не меняется со временем. Но можно создать левитацию, которая кажется стабильной невооруженному глазу, если токи, создающие магнитное поле, будут непрерывно адаптироваться к небольшим движениям магнитной подвески, чтобы быстро компенсировать эти движения».

Ховерборд Hendo не использует сверхпроводники или обычный диамагнетизм, когда магнитный отклик обусловлен исключительно перебазированием электронов в атомах. Вместо этого он полагается на магнитное поле, которое должно колебаться в нужном направлении, вызывая вихревые токи в соседнем проводнике, движения крупного числа электронов, которые не связаны с конкретными атомами в проводнике.

Короче, это крупномасштабная версия диамагнитной левитации — кружащиеся вихревые токи приспосабливаются к постоянному отталкиванию источника переменного поля точно так же, как индивидуальные электроны приспосабливаются к обычной диамагнитной левитации. Людям нравится.

Робот, убивающий вирус Эбола

Разработка: Xenex

Xenex, по сути, похож на высокого робота Roomba с ультрафиолетовым светом. Робот облучает больничный номер интенсивными миллисекундными импульсами ультрафиолетового света с высокой номинальной мощностью, убивая микробы. Свет способен убить всех микробов в больничном номере за 5 минут — в частности, уничтожает Эбола на любой поверхности за 2 минуты.

Переживая кризис Эбола, больницы требуют такие машины. Порядка 200 больниц только в США уже включили Xenox в систему обеззараживания комнат.

Передача данных в терабитах в секунду

Разработка: Технический университет Дании

Команда High-Speed Optical Communications из Технического университета Дании установила новый рекорд передачи данных в этом году, передав 43 терабита данных в секунду через одно оптоволокно. С такой скоростью за 10 минут можно скачать всю библиотеку крупного сервиса потокового видео типа Netflix.

Парадигма «Макгайвера»

Разработка: Технологический институт Джорджии и Национальный инститит продвинутых промышленных наук и технологий в Японии

Автономные роботы буквально буйствуют в этом году, но «Макгайвер» (MacGyver), возможно, всех их уделал. Пока большинство роботов создается, чтобы обходить препятствия, этот робот использует своей окружение. Автономно.

В этом эксперименте (на видео) инженеры создали ситуацию, в которой роботу нужно перебраться на другую сторону (обрыв между двумя платформами слишком широк для прыжка). В итоге робот делает совершенно невероятное (совершенно автономно) — сами увидите. В другом эксперименте, он использует груженную кирпичами тележку в качестве опоры для рычага, чтобы сдвинуть другой, равный по массе объект. Говорят, очень скоро этот робот будет неудержим.

Google Cardboard: виртуальная реальность подручными средствами

Разработка: Google

Описание продукта от Google практически полностью объясняет простую форму Cardboard:

«Cardboard — самодельная виртуальная реальность для всех. Мы хотим, чтобы все могли испытать виртуальную реальность простым, веселым и недорогим образом. Вот в чем в цель проекта Cardboard».

Отзывы тоже весьма хороши:

«Мало того, что виртуальная реальность в Google Cardboard намного более приятная, чем я представлял, эта картонка намного больше, чем просто самодельная игрушка. Как бы глупо это не звучало, но комбинация из картонки, липучек, магнитов и пластиковых линз — первый серьезный шаг Google в дивный новый мир виртуальной реальности».

Или вот:

«Google разработала гарнитуру виртуальной реальности, которую можно сложить из картонки и запустить с помощью Android-телефона, разработала программный и промышленный стандарты, а затем указала, что, возможно, у вас уже все это было. Занавес».

Беспроводное электричество

Разработка: WiTricity

Резонантная техника беспроводной передачи энергии не нова в этом году, но вот коммерчески жизнеспособные продукты — вполне. В этом году WiTricity представила систему зарядки для iPhone 5 на выставке CES 2014 и подписала соглашение о лицензировании технологии с Intel. Остается только вопрос времени, когда вы увидите возможности беспроводной зарядки от Intel. Кроме того, эффективность технологии, по некоторым данным, составляет 90%.

И поскольку она работает на магнитном резонансе, а не на индукции, не нужно размещать устройство непосредственно на подложке для передачи энергии — можно положить рядом или вообще заряжать через толщу дерева или металла. К тому же вы можете заряжать тучу устройств с одним передатчиком или вообще сделать что-то вроде коврика, если понадобится расширенный диапазон передачи.

В плане выходной мощности WiTricity работает над решениями передачи от 10 Вт для портативных устройств до 6 кВт для автомобилей; для более серьезных вещей будет разработана 20 кВт-передатчики.

Falcon 9: многоразовая ракета проходит испытания

Разработка: SpaceX

В этом году SpaceX разработала и успешно испытала многоразовую ракету на высоте 1000 метров, закрепив прошлогодний успех. Это важный момент для развития компании, поскольку она планирует запустить многоразовую ракету в космос уже в следующем году.

Солнечная энергия, получаемая в темноте

Разработка: MIT и Гарвард

Выработка энергии куда проще, чем ее хранение (если не считать жидкое топливо). Этот момент долгое время был серьезным препятствием для широкого внедрения солнечных технологий. Но в этом году исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета взяли вещество под названием азобензол, чтобы создать углеродные нанотрубки, способные поглощать солнечное излучение и хранить его в химической форме. Будучи сохраненной на молекулярном уровне, энергия может быть выведена по требованию для получения тепла. Даже в темноте. Кроме того, молекулы могут хранить тепло вечно и бесконечно повторно использоваться при совершенно нулевой эмиссии парниковых газов.

Мы высадились на комете

Разработка: Европейское космическое агентство

12 ноября Philae, космический аппарат размером с холодильник, успешно высадился на комете 67P/Чурюмова — Герасименко. Да, он немного не попал в нужную точку (из-за многократных отскоков), да и энергия закончилась раньше, чем предполагалось, но свою работу он проделал. И объем проделанной учеными работы совершенно умопомрачительный.

Проект потребовал:

• 20 лет планирования;
• 10 лет полета с гравитационными маневрами — вокруг Марса (2008) и три вокруг Земли (2005, 2007 и 2009);
• чтобы забраться на 500 миллионов километров;
• на скорости 54 000 км/ч;
• чтоб приземлиться на камне размером 4 на 5 километра;
• движущемся на скорости 135 000 км/ч.

Молодцы Европейское космическое агентство.