Engineering Thrills

At gå hovedet over styret på en downhill-cykelsti ville skræmme nogen. Men for Anette Peko Hosoi gav det at styrte sin cykel gennem Highland Mountain Bike Park i Northfield, New Hampshire, hende også et adrenalinsus og i sidste ende et glimt af ingeniørmæssig indsigt: hvad skal der til for at designe en bedre cykel?

Joshua Slocum ’10, MEng ’11, (til venstre) og Folkers Rojas ’08, SM ’11, (til højre) får en lektion i kiteboarding af en instruktør på Kanaha Beach i Maui.

På sin første tur til parken - et ombygget skisportssted, der tager motorcyklister op 600 fod med stolelift til toppen - forsøgte Hosoi, en MIT-professor i maskinteknik, de stejle stier med granitvægge på en langrendscykel med spændende dårlige resultater.

Jeg gik over mit styr otte gange den dag, husker hun. Og jeg tænkte: 'Dette er det bedste, jeg nogensinde har gjort! Tænk, hvis jeg havde den rigtige cykel.'
Forslået og blodig gik hun online, så snart hun vendte hjem, og ledte efter en downhill-cykel. Det, hun fandt, var designs, der var overalt på kortet: støddæmpere, forhjulsophængssystemer og styremekanismer varierede fra cykel til cykel, og det var ikke klart, hvordan sådanne funktioner påvirkede ydeevnen.

På det tidspunkt underviste Hosoi på et kursus i mekanik og materialer, og hun forelagde problemet til sine elever og bad dem analysere de mekaniske belastninger, som en cykel ville deformere under. I mellemtiden brugte hun sine aftener på at tegne frie kropsdiagrammer - grove skitser af de kræfter, der virker på en cykel i forskellige scenarier.

I en afslappet samtale ville Hosoi nævne hendes diagrammer for andre MIT-fakultetsmedlemmer. Hun fandt hurtigt ud af, at hun ikke var den eneste spændingssøgende i flokken.

Det viser sig, at halvdelen af ​​vores fakultet er skabsportsfanatikere, siger hun. De laver baseballstatistikker eller løber triatlon, eller er til Formel 1 eller sejler, og mange af dem laver disse diagrammer i deres garage i weekenden.

Hosoi satte sit cykelprojekt i bero for at fokusere på et større mål: at forbinde de sportsglade ingeniører til at danne et knudepunkt for forskning i sportsteknologi. Hun forestillede sig et program, der matcher MIT-innovatorer med sportsudstyrsvirksomheder, der leder efter nye produkter.

I efteråret 2011 oprettede Hosoi og omkring 25 fakultetsmedlemmer fra forskellige afdelinger formelt STE@M (Sports Technology and Education at MIT), et program, der forbinder studerende, fakulteter, industripartnere og atleter, så de kan arbejde sammen om projekter kl. krydsfeltet mellem sport og teknik. Disse projekter – som kan tage form af en kandidatafhandling, bachelorforskning, en professors sidesatsning eller en klasseopgave – udvikler sådanne ideer som en app til fantasy-fodbold, der troller Twitter for liveopdateringer, en model til at analysere kiteboard-præstationer, og en stærkere, billigere monoski til handicappede skiløbere.

Projekterne trækker også fra en bred vifte af ingeniørdiscipliner, siger Kim Blair, rådgiver for STE@M og vicepræsident for produktingeniørfirmaet Cooper Perkins. Aerodynamik, menneskelige faktorer, termodynamik, varmeoverførsel - man kunne blive ved og ved, siger han.

Blair arbejder sammen med studerende og sportsudstyrsfirmaer for at komme med sportstekniske udfordringer. Det er en rolle, han trives i: I 1999 grundlagde han et lignende program, Sports Innovation på MIT, som han nu inkorporerer i STE@M. Som forskningsingeniør i Institut for Luftfart og Astronautik drev han programmet i 14 år, hvor eleverne byggede et apparat til at måle ydeevnen af ​​baseballbat og handsker og udviklede et nøjagtigt cykeltestsystem, der inkluderer software og et stativ, der minimerer interferens med rytteren.

Et af de projekter, der fik mest indpas, var et nyt design til en triatlonsko. Blair, som har konkurreret i adskillige triatlon- og Iron Man-løb, fandt ud af, at ingen sneaker på markedet opfyldte alle en triatlets behov. Konkurrenter skal hurtigt skifte fra cykelsko til løbesko, og de hydrerer også typisk mere end maratonløbere, hvilket øger muligheden for at spilde vand under en løbetur. En løbesneaker, der er nem at tage på, og som minimerer fugtopbygning, ville give en triatlet den ekstra kant.

Blair så først til MIT-baneholdet for at finde en interesseret studerende, og sammen slog han og Chi-An Wang ’01 ideen til skofirmaet New Balance. Med virksomhedens opbakning kom holdet i 2001 med en prototype til en triatlonsko, som New Balance til sidst bragte på markedet. Blair bar sneakers i konkurrence i tre sæsoner, før firmaet holdt op med at lave dem.

Det havde et ret betydeligt løb, husker han. Og det, vi følte var virkelig vigtigt ved denne sko, er, at den sagde, at virksomheden var klar til at prøve noget nyt.

Vind i deres sejl
Denne vilje til at eksperimentere er en kvalitet, Blair ser efter, når han henvender sig til potentielle STE@M-partnere. Senest har han været med til at facilitere en forbindelse med udendørsfirmaet Patagonia.

Tetsuya O'Hara, direktør for avanceret forskning og udvikling i Patagonia, foreslog at holde en ugelang workshop for MIT-fakultetet og studerende i Maui, Hawaii, for at lære om vindteknologi og opleve vindsport på egen hånd. Mens Patagonia hovedsageligt fremstiller udendørsbeklædning, siger O'Hara, at virksomheden laver et surfbræt og andre surf-relaterede produkter.

O'Hara siger, at MIT muligvis kan tilbyde Patagonien friske perspektiver på sportsteknologi. [STE@M] fakultetet og studerende forstår sport, så de har øje fra brugeren, og vi kan bruge samme sprog som en sportsmand, siger han.

Ikke overraskende blev Hosoi oversvømmet med anmodninger om at komme med på turen. Hun indsnævrede til sidst feltet til ansøgere, der demonstrerede to kvaliteter: en mangfoldig ingeniørportefølje og en kærlighed til sport.

Jeg ledte efter et overlap mellem disse to passioner, siger hun. Da jeg cyklede ned ad bakke og gik over styret, vidste jeg præcis, hvad jeg havde brug for. Så du skal være en del af den kultur, hvis du vil forny inden for den kultur.

I januar 2013 tog Hosoi til Hawaii med professor i maskinteknik Alex Slocum ’82, SM ’83, PhD ’85 og 15 studerende, inklusive et par universitetsatleter, der måtte gå glip af holdtræning den uge. For at få tilladelse til, at de kunne tage på turen, indgik Hosoi og Slocum en aftale med MIT's banetræner: Slocum, en triatlet selv, lovede at løbe med eleverne kl. 06.00 hver dag.

Da gruppen først var på Maui, kiggede gruppen forbi de professionelle windsurfere Robby Naish og Francisco Goyas studier, hvor de observerede processen med håndlavning af kiteboards. For at give eleverne nogle praktiske erfaringer arrangerede Patagonia, at de hver morgen fik lektioner i en vindsport som surfing, paddleboarding, kiteboarding eller windsurfing.

Nogle, som kandidatstuderende Pawel Zimoch, havde aldrig deltaget i sådanne sportsgrene før. Zimoch var især tiltrukket af kiteboarding, hvor en surfer, der rider på et bræt, mens han holder fast i en stor drage, fanger et vindstød til at svæve op til 40 fod over vandoverfladen. Kiteboarding er en relativt ny sport, og design til både kite og board har hurtigt udviklet sig, efterhånden som deltagere, der pussede i deres værksteder, har fundet på konfigurationer, der gør dem i stand til at gå hurtigere og højere. Men disse forbedringer er aftaget i de seneste år.

Entusiaster baserede deres innovationer på deres intuition og erfaringer, siger Zimoch. På et vist tidspunkt … det, der bliver vigtigt, er en forståelse af de fysiske principper.

Som Hosoi havde fundet ud af, da han studerede downhill-cykler, indså Zimoch, at det ikke var klart, hvad der gjorde et kiteboard bedre end et andet. Efter at have vendt tilbage til fastlandet begyndte han og et par andre studerende at teste ydeevnen af ​​drager i MITs vindtunnel. Selvom de fandt det svært at opnå meningsfulde målinger af en drages modstand under forskellige forhold, håber de også at måle ydeevnen af ​​brædder i MIT's bugseringstank.

Zimoch er også ved at udvikle en grundlæggende beregningsmodel, som designere kan bruge til at analysere, hvordan en drage og et bræt, givet visse dimensioner og funktioner, vil flyve under forskellige vindforhold. Han siger, at modellen kan hjælpe designere med at lave kiteboards, der er bedre egnet til lav vind. Det kunne åbne sporten op for nye strande og udvide markedet ud over de få steder med de høje, jævne vinde, som kiteboarding kræver i dag.

Mens forståelsen af ​​vindens fysik var afgørende for at bygge kiteboarding-modellen, viste det sig også at være kendskab til følelsen af ​​kiteboarding.

Den fysiske berøring satte mig i stand til at ræsonnere om det på en meningsfuld måde, siger Zimoch, som nu er gået på kiteboarding med andre teammedlemmer langs strandene i Nahant, Massachusetts. Jeg kan sidde ved mit skrivebord og tænke tilbage på, hvordan det føles, når dragen trækker dig over, og hvordan den reagerer. Det er meget nyttigt.

Dagens fangst
Ikke længe efter, at gruppen vendte tilbage fra Hawaii, modtog Hosoi et spændende forslag fra Okuma, en producent af højtydende fiskeredskaber. Virksomheden havde hørt om STE@M gennem Patagonia og ønskede at samarbejde med MIT om at designe bedre hjul til dybhavsfiskeri. En dag i september chartrede den en båd ud for Cape Cods kyst og var vært for Hosoi, tre andre fakultetsmedlemmer og Blair. Vi fangede alle fisk, siger Hosoi. Jeg gik hjem og stegte en flok blåfisk, og de efterlod os en taske fuld af hjul.

Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, en adjunkt i maskinteknik, var gået på fisketur som barn, men havde ikke haft meget erfaring siden. Men sejlturen fik ham til at tænke, og han tog posen med ruller med hjem til nærmere eftersyn. Mens han legede, tabte han ved et uheld en og brød det slanke design i stykker. Som ingeniør benyttede han lejligheden til helt at adskille rullen for at forstå, hvordan den fungerede. Derefter udarbejdede han hurtigt en designanmeldelse for virksomheden. Da han fandt ud af, at belastningen på nogle af de støbte dele gjorde rullen modtagelig for at gå i stykker, foreslog han ændringer, der kan gøre den stærkere og mere bøjelig, såsom at erstatte nogle af disse dele med plastik. Han anbefalede også en måde at stivne spinneren (som ruller i linjen) ved at ændre dens geometri.

Jeg fortsatte med at snakke med dem, og vi fik sammensat et konsulentprojekt, som jeg synes er en ret god første date, fortæller Winter.

En af de udfordringer, han planlægger at tackle, er korrosion. Dybhavsfiskeri involverer udsættelse for hårdt vejr og saltvand, som kan tilstoppe og korrodere et hjul. Udstyr kan også bryde ned fra den varme, der genereres ved at trække i, for eksempel, en 400-punds tun. Winter vil arbejde sammen med virksomheden om at designe en mere korrosionsbestandig tromle, der lettere bærer byrder - hvilket betyder, at en lystfisker skal bruge mindre kraft for at bringe en fangst ind.

Rise of a downhill design
Mens de fleste studerende lærer om STE@M gennem deres professorer eller klassekammerater, fandt junior Valerie Andersen ud af programmet gennem sine bedsteforældre. Andersen, der praktisk talt er vokset op på ski, er alpin racer på MIT-skiholdet. Hendes bedsteforældre sendte hende en nyhedsartikel om Turtle Ridge Foundation, en nonprofitorganisation grundlagt af den olympiske guldvinder Bode Miller. Organisationen var ved at udvikle en ny version af monoskien, som handicappede bruger - en enkelt ski med et lille sæde påsat. Fonden havde til hensigt at designe en model, der ville yde bedre og koste mindre end eksisterende modeller.

Cameron Shaw-Doran tester det nye monoski-design, som MIT-forskere udvikler gennem STE@M.

Artiklen nævnte en MIT-forsker, der samarbejdede om designet: Karl Iagnemma, SM ’97, PhD ’01, hovedforsker i Laboratory for Manufacturing and Productivity og medlem af STE@M. Andersen opsøgte hurtigt Iagnemma og kom med på holdet.

Selvom Andersen kortvarigt havde trænet sammen med det amerikanske paralympiske skihold som sophomore, havde hun aldrig brugt en monoski og ville ikke have været i stand til at fortælle, om en designjustering forårsagede nogen målbar forbedring af ydeevnen. Den værdifulde feedback kom fra Cameron Shaw-Doran, direktør for R&D ved fonden og en konkurrencedygtig adaptiv skiløber. I 1997 var Shaw-Doran, som havde været skiløber siden toårsalderen, i en bilulykke, der lammet ham fra brystet og ned. Miller, en livslang ven, hjalp ham gennem hans bedring, og Shaw-Doran vendte til sidst tilbage til skiløb og udforskede de forskellige monoskier på markedet.

Den største hindring i de fleste designs, fandt Shaw-Doran, var en utilstrækkelig affjedring, som fik ham til at hoppe for meget, da han strøg ned ad et spor. Hvis jeg kunne finde nogen til at designe et stød, der kan gøre det, som Bode Millers knæ kan, ville jeg være mangemilliardær, joker han.

Han og Iagnemma håber på at integrere et forbedret affjedringssystem i deres monoski-design. Indtil videre er prototypen lettere end andre kommercielle designs, og dens let forskudte fodplade mindsker chancen for, at skiens spids rammer en sten.

Shaw-Doran testede den nye ski på Mount Hood i Oregon og siger, at han følte sig meget forbundet med den. Jeg kan kun bevæge mig fra brystet og op. Hvis noget af den bevægelse går tabt i overførslen til skien, mister jeg energi, siger han. Så det var en utrolig god følelse.

I december tog Shaw-Doran monoskien til Colorado, hvor han konkurrerede om en plads på det amerikanske nationale adaptive alpine skihold og det paralympiske alpine skihold. Han fortæller, at arbejdet med MIT også har vakt interesse for teknik.

At arbejde med aluminium, stål og titanium og forstå, hvor blødt aluminium er sammenlignet med stål, og mængden af ​​vibrationer, der overføres gennem det - jeg ville elske at lære mere, siger han.

Flere eger til navet
Hosoi håber, at STE@M vil etablere MIT som en ressource for innovation på tværs af atletikindustrien. Hun søger at tilføje flere eger til STE@Ms hub og er i diskussioner med Nike og Red Bull om partnerskaber. Flere industripartnere kan trods alt gavne studerende, der ønsker at forfølge en karriere inden for sportsteknologi.

I sidste ende, siger Hosoi, er målet med programmet at hjælpe eleverne med at kanalisere deres passioner.

Vi viser folk, hvordan de kan anvende deres tekniske ekspertise til ting, de virkelig er begejstrede for, siger hun. Jeg ønsker, at den slags energi skal gennemsyre STE@M.

skjule