《大众科学》2013年发明大奖揭晓：智能探测球

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数字吉他

新式太空服

智能探测球

重力灯

高性能运动义肢

本报记者 刘 霞 综合外电
新式太空服：物美价廉性能高
在2007年由美国国家航空航天局（NASA）赞助的太空服手套设计比赛中，美国艺术家兼设计师特德·萨瑟恩与俄罗斯前宇航员兼宇航服设计师尼可雷·莫伊谢耶夫一见如故。尽管两人都在比赛中空手而归，但他们却收获了志同道合的友谊。两年后，他们再次参加该比赛并赢得了10万美元的奖金。
随后，他们在美国纽约布鲁克林创办了一家名为“Final Frontier Design”（FFD，终极前沿设计）的创业公司，着手为正处在萌芽阶段的商业太空飞行产业研制新一代时髦而舒适、经济可承受的高性能太空服——第三代太空服。萨瑟恩表示：“目前的太空服不仅造价昂贵，而且也非常笨重，体型庞大，性能也差强人意。我们的目标是提高太空服的性能并降低成本。”
在未来10年内，商业太空飞行的产值有望超过16亿美元。英国太空旅行公司维珍银河公司、美国太空探索技术公司（SpaceX）、美国XCOR公司、蓝色起源公司（Blue Origin）都在摩拳擦掌，希望尽快将游客送往太空。
现在每套太空服的售价约为20万美元，比前往太空旅行的票价还高。而且，大多数太空服都使用了由一个可充气的内袋以及一个耐用的外约束层组成的双层设计，这种设计使太空服笨重庞大且很不灵活。美国贝勒医学院的乔纳森·克拉克说：“对于太空游客来说，舒适性至关重要。”
有鉴于此，2009年，萨瑟恩和莫伊谢耶夫就开始研发完整的单层设计太空服，他们希望其售价为5万美元左右。他们通过将多片尼龙聚氨酯涂层面料（一种耐用、不透气且柔韧的材料）融合在一起制造出了这种太空服。当对这种太空服充气后，密丝合缝的接缝和金属支撑能帮助穿戴者保持灵活；内部的管型材料也可以让空气循环从而给太空服降温。
任何新的太空服都需要NASA进行鉴定，但这一过程并不便宜，因此，去年，萨瑟恩和莫伊谢耶夫将求助的目光投向了众筹网站，并最终募集到了2.7万美元，借用这笔资金，他们完成了整套太空服模型的90%。现在，他们已开始测试关键的零部件以便通过飞行认证。
他们的研发工作已经引起了业界的关注。萨瑟恩说：“我们最近拜访了美国‘亚特兰蒂斯’号航天飞机的前宇航员格兰特·里斯曼，他现在是SpaceX公司的安全专家，他看见了我们的第二代太空服，印象深刻。2011年，我们采用黄色双层设计，设计出第二代太空服。而与之相比，目前我们正在研制的第三代太空服重量更轻、也更柔软。”
发明人：泰迪·萨瑟恩、尼可雷·莫伊谢耶夫
产品：第三代（3G）太空服
研发成本：30万美元
成熟度：60%
智能探测球：哪儿危险去哪儿
2010年，海地突发罕见的7.3级大地震后，各路搜救团队纷纷飞抵太子港地震现场，奋力搜寻幸存者。那时还在攻读公共政策研究生学位的弗朗西斯科·阿圭勒通过新闻得知，搜救团队大多依靠复杂且昂贵的成像系统来开展营救工作，对此，他非常震惊。阿圭勒表示：“只有少数几个搜救团队拥有这些成像系统，而且需要经过严格的专业培训才能使用它们。”他从中看到了巨大的商机和潜力，因此，很快在美国麻省注册了一家新公司，专门研究更简单好用的搜救工具：一种廉价、可抛掷的棒球大小的探测器。
这款弹跳成像探测器（Bounce Imaging Explorer）拥有一个减震外壳，内置有6个照相机，再加上一组近红外发光二极管（LED）——在黑暗的房间里充当照相机的闪光灯。为了有效地利用该探测器，人们会先将其同一个智能手机或平板电脑相连，随后将其抛掷到危险地带。探测器会立刻开始拍照，并且测试甲烷、一氧化碳以及危险的高温。球内部的微型处理器会将照片拼接在一起，并且将原始数据转换后通过Wi-Fi传输给智能手机或者平板电脑，几秒钟后，智能手机或平板电脑就可以收到环境的全景图，还配有环境警告。
阿圭勒认为，这个弹跳球探测器除了能应用于灾区外，还可以用于火灾现场、解救人质甚至参与战争等，目前，他正在搜集潜在客户的反馈，希望能让这种探测球变得更完美。在最初18个月内，他新创办的公司构想出了几十种模型，而且可以根据客户的需求不断修改。例如，有几位警察表示，他们希望能够听到房间内的声音，阿圭勒就在弹跳球内安装了数字麦克风。
警察、消防员、士兵、核电站检察人员都希望能测试该弹跳探测球。阿圭勒估计其售价在5000美元到1万美元之间，他说：“我希望尽可能地降低成本，这样，它就可以在更多地方派上用场了。”
发明人：弗朗西斯科·阿圭勒
产品：弹跳成像探测器
研发成本：未公布
成熟度：70%
重力灯：石头下落提供电能的家用灯
全球有超过7.8亿人使用煤油灯照明，但煤油价格昂贵，而且在燃烧时会释放出有毒气体，更不用说容易引起火灾了。2008年，英国伦敦的产品设计师马丁·里迪福德和同事吉姆·里夫斯决定制造一种更廉价而且更安全的家用照明灯。
里迪福德知道，下落的重物产生的能量足以驱动老式的落地大闹钟，那么，为什么不依葫芦画瓢，用这种思路设计灯具呢？为了找到答案，他将一个发条手电筒的转动曲柄与一个自行车的车轮相连。然后再将一个重物悬挂在车轮上让车轮旋转，这样一来，车轮就给手电筒上了发条，让手电筒亮了起来。
在接下来的4年时间里，里迪福德和里夫斯以及另外一个研究团队将业余时间都耗在地下室，改进和完善重力灯的设想。为了使用这款灯，人们需要先将灯悬挂起来，然后用28磅重的石头、土和其他材料填满灯上配备的布袋。装满重物的袋子会挂在一条打孔带上，将袋子提起并放下，袋子会拉动打孔带穿过重力灯的塑料轮毂，让一系列齿轮旋转，驱动一个小型马达，从而让一台发光二极管（LED）灯持续亮30分钟。
研究人员利用众筹网站筹集到的资金生产了1000台重力灯，他们计划将这些灯送往发展中国家进行测试，另外6000台灯则送给了资助者。里迪福德说：“我们设计的灯能得到如此多的积极正面的评价，让我们倍感欣慰。”除了边远乡村，这种灯也可以在野营过程中大展拳脚。里迪福德也希望为一款售价不超过10美元的零售版重力灯申请专利。
重力灯的工作原理
1.载重袋子下落，拉动一条打孔带，带动一系列的塑料齿轮。
2.齿轮一起旋转驱动马达。
3.马达产生的电能可以让一个小小的LED灯持续亮30分钟。
4.外部连接设备还可以驱动低压装置，整套系统可以重复数千次。
发明人：马丁·里迪福德、吉姆·里夫斯
产品：重力灯
研发成本：超过30万美元
成熟度：80%
高性能运动义肢：让运动员重返赛场
2008年，在一场职业雪地摩托车比赛中，迈克尔·舒尔茨驾驶的摩托车在转弯时失控，导致他的左膝盖完全粉碎，医生不得不将他膝关节以下的部位完全切除。舒尔茨说：“手术后，我看着妻子，问她，现在我们该怎么办？我是专业运动员，截肢后，我可能再也无法重返赛场了。”
舒尔茨的直觉没有错，传统的义肢无法承受专业运动员那种高强度的生活方式。因此，2009年年初，舒尔茨自己开始设计和制造义肢。
新义肢的关键组成部分是动力膝盖（Moto Knee），它利用可调节的山地车减震器，通过压缩空气来调节关节的硬度。但是，滑雪和滑板运动员还需要至关重要的脚趾压力和脚踝的张力，因此，舒尔茨又朝他的义肢里添加了“Versa足（Versa Foot）”——也利用空气减震器模拟关节阻力的人造足—踝模拟装置。这两部分结合在一起，就构成了一个能承受高强度运动的人造下肢，其能防水，而且可以应用于一系列的高强度运动。
借此，舒尔茨最近重返赛场，并在2012年冬季极限运动大赛中获得金牌。他希望在今年冬天出售这种经过改良的新义肢，不仅卖给截肢运动员，也卖给那些在战场上失去了肢体的士兵。舒尔茨表示：“刚开始，我只是希望自己能继续以前的事业，但事实证明，新义肢的意义不仅如此，超出了我的预料。实践证明，我所做的一切都是值得的。”
发明人：迈克尔·舒尔茨
产品：Versa 足（Versa Foot）
研发成本：1.5万美元
成熟度：90%
数字吉他：让菜鸟变身音乐达人
电气工程师丹·苏利文在孩提时代就学会了弹吉他。但是，他十几岁的儿子现在最喜欢的活动是玩游戏。苏利文想，如果儿子能将所有玩游戏的时间用来演奏乐器的话，可以成为一位杰出的音乐演奏家。58岁的苏利文对儿子说：“当你在我的年纪时，你还可以时不时地秀一下自己的吉他技艺，可是，游戏玩得再好又有什么用呢？”
7年前，苏利文辞去了视频广告公司轻松的首席技术官职务，开始着手研发一种数字的六弦吉他——JamStik。这款精巧的数字吉他像真正的吉他一样，有音品和弦，无需调音，也不像很多数字乐器一样需要推按钮才可使用。内置的小型传感器可以通过52个红外LED设备来追踪手指的活动。
因为这些传感器之间仅仅相距几毫米，固件会插入数据中将重叠的信号过滤掉，并且精确确定每个手指的位置。传感器也能追踪指法的细微变化。一个内置的微处理器会将原始数据转化成标准的音乐指令（MIDI），无线天线再将这些指令传输给同步的平板电脑或者笔记本电脑。
由于传感器的感应范围为吉他指板纸上半英尺内，因此，在手指触弦之前，感应器就可以探测到手指的活动，这就使得配套的软件——比如安装在平板电脑iPad上的软件Jam Tutor可以实时标示出手指的方位，演奏者可以据此自我修正。Jam Stik程序还可以同100多种Wi-Fi应用程序配合使用，例如苹果电脑编写的数码音乐创作软件Garage Band等。苏利文预计这款产品有望在2013年年底上市，他说：“它能够帮助年轻一代认识到音乐创作的乐趣，而不是仅仅做一个被动的消费者。”
发明人：丹·苏利文
产品：JamStik数字吉他
研发成本：100万美元
成熟度：90%