غالبًا ما يُنظر إلى المخترعين الخياليين وهم يكدحون في مختبرات كبيرة ورائعة. ورشة توني ستارك تحيط به بشاشات ثلاثية الأبعاد. جيمي نيوترون يخفي الأدوات في مخبأ ضخم تحت الأرض. ويلي ونكا لديه مصنع كامل. لكن الابتكار في العالم الحقيقي لا يتطلب مثل هذه المجموعات المعقدة. ما عليك سوى سؤال المتأهلين للتصفيات النهائية في برنامج Regeneron Science Talent Search لهذا العام.
هذا الحدث السنوي هو مسابقة العلوم والرياضيات الأولى في البلاد لكبار السن في المدارس الثانوية. تديرها جمعية العلوم. (تنشر جمعية العلوم أيضًا أخبارًا علمية للطلاب .) كل عام ، يتنافس 40 من المتأهلين للتصفيات النهائية للحصول على جوائز تزيد عن 1.8 مليون دولار - ويتباهون بإنجازاتهم في العلوم والهندسة.
تضم تشكيلة 2022 العديد من المخترعين الشباب الذين حولوا الأقبية والحمامات والمرائب إلى ورش عمل. يمكن للتكنولوجيا محلية الصنع للمراهقين تحسين الأطراف الاصطناعية وأنظمة التحذير من الزلازل والسفر الجوي.
العقل فوق الآلة
هدف بن تشوي بسيط:بناء آلات يمكنها قراءة العقول.
عندما كان يبلغ من العمر ثماني سنوات فقط ، أصبح بن مفتونًا بالأطراف الاصطناعية التي يتحكم فيها العقل. شاهد فيلمًا وثائقيًا عن هذه الأطراف الاصطناعية ، التي تتحكم فيها أجهزة مزروعة في الدماغ. يتذكر الشاب البالغ من العمر 17 عامًا الآن في مدرسة بوتوماك في ماكلين بولاية فرجينيا:"لقد اندهشت حقًا. ولكنه كان أيضًا مقلقًا للغاية." يتطلب زرع الأقطاب الكهربائية جراحة دماغية محفوفة بالمخاطر. وتلك الأطراف الاصطناعية تكلف مئات الآلاف من الدولارات.
يقول بن:"لا يمكن الوصول إليهم حقًا". "هذا دائمًا ما يكون عالقًا معي."
في عام 2020 ، شرع بن في إنشاء ذراعه الإلكترونية غير الغازية ومنخفضة التكلفة. أقام متجرًا على طاولة بينج بونج في الطابق السفلي. تم بناء أول نموذج أولي له باستخدام طابعة صغيرة ثلاثية الأبعاد مستعارة من أخته. بعد تحديث تصميمه أكثر من 75 مرة ، عرض Ben الآن نسخة مصقولة من الذراع باستخدام راتينج من الدرجة الصناعية. لا يزال يكلف أقل من 300 دولار.
يتم التحكم في الذراع بواسطة أقطاب كهربائية يتم ارتداؤها على الجبهة. تتنصت تلك المستشعرات على النشاط الكهربائي للدماغ ، أو موجات الدماغ. التفكير في حركات الذراع المختلفة ، مثل التلويح أو صنع القبضة ، يخلق أنماطًا مختلفة من الموجات الدماغية. يقوم نظام ذكاء اصطناعي أو AI بفك شفرة تلك الموجات الدماغية لتحريك الذراع الروبوتية.
الشرح:كيف تقرأ نشاط المخ
كان لابد من تدريب نظام الذكاء الاصطناعي على تفسير تلك الموجات الدماغية. جمع بن بيانات الفكرة الرائعة من متطوعين في مدرسته وعائلته. يقول:"من هؤلاء المشاركين ، جمعت ربما ساعة أو ساعتين من نشاط الموجات الدماغية". "هذه عدة آلاف من نقاط البيانات." ساعدت دراسة هذه البيانات نظام الذكاء الاصطناعي على تعلم قراءة العقول.
في الاختبارات المبكرة ، أثبتت ذراع Ben الروبوتية أنها تتمتع بالذكاء مثل أفضل الأطراف الاصطناعية في العالم التي يتحكم فيها الدماغ ، على حد قوله. يجب تأكيد هذه النتائج في تجربة سريرية. لكن إذا صمدوا ، يمكن أن تكون هذه الذراع الإلكترونية عامل تغيير في تقنية الأطراف الاصطناعية. ولماذا التوقف عند الأذرع الإلكترونية؟ يمكن لأنظمة الذكاء الاصطناعي المماثلة في يوم من الأيام التحكم في الكراسي المتحركة أو الأجهزة الأخرى التي تقرأ العقل.
أجهزة الكشف عن الزلازل الشخصية
أصبح الإلهام لاختراع فيفيان هي أقرب إلى المنزل. إنها طالبة في مدرسة بالوس فيرديس الثانوية شبه جزيرة في رولينج هيلز إستيتس ، كاليفورنيا. نشأت في جنوب كاليفورنيا ، أمضت هذه الفتاة البالغة من العمر 18 عامًا الكثير من الوقت تحت مكتب مدرستها أثناء التدريبات على الزلزال. هذه الهزات الأرضية هي أكثر الكوارث الطبيعية فتكًا بالعالم. ولا يمكن التنبؤ بها.
لنتعرف على الزلازل
أنظمة الإنذار المبكر بالزلازل موجودة. أحدهما هو نظام ShakeAlert على الساحل الغربي للولايات المتحدة. تكتشف محطات الرصد الزلزالي في شبكة ShakeAlert الاهتزازات الأرضية عند وقوع الزلزال. ثم تنبه هذه المحطات الناس إلى أن الأرض تحتها قد تبدأ قريبًا في الاهتزاز. لكن من الصعب التكهن بمدى اهتزاز الأرض في أي مكان. والأشخاص الأقرب إلى مصدر الزلزال لم يحالفهم الحظ. سيشعرون بالاهتزاز قبل أن يتمكنوا من الحصول على تنبيه.
لإعطاء الناس قراءة أفضل على الأرض تحت أقدامهم ، بنى فيفيان جهاز استشعار للزلازل في المنزل. تقول:"أحب مقارنتها بكاشف الدخان ، ولكن بالنسبة للزلازل". يستخدم هذا الجهاز المسمى Qube مستشعر حركة يسمى الجيوفون ليشعر بهزات خفيفة قد تشير إلى بداية زلزال أكبر. بعد ذلك ، يمكنه تحذير المستخدمين من خلال دق ناقوس الخطر أو إرسال تنبيهات نصية.
حول حجم مكعب روبيك ، يكلف صنع Qube أقل من 100 دولار. لإنشائها ، اشترت Vivien آلة لحام وشاهدت مقاطع فيديو YouTube لتعلم كيفية استخدامها. ثم ذهبت للعمل في حمام إضافي. تقول:"لقد كنت دائمًا شخصًا عمليًا جدًا". وجدت أنه من الممتع تجميع كل Qube جديد - غالبًا مع فيلم قديم يتم تشغيله في الخلفية.
خلال تسعة أشهر من الاختبار ، اكتشف Qube من Vivien جميع الزلازل التي بلغت قوتها 3 درجات حول لوس أنجلوس. تطابق بيانات الحركة التي التقطتها Qube أيضًا تلك الموجودة في مقياس الزلازل القريب في شبكة الزلازل بجنوب كاليفورنيا. شارك فيفيان هذه النتائج في كانون الأول (ديسمبر) في رسائل أبحاث علم الزلازل .
تقوم Vivien الآن ببناء شبكة من Qubes حول لوس أنجلوس. تقول:"لدي ثمانية أجهزة في منازل مختلفة". يمكن لشبكة Qube واسعة الانتشار أن تؤدي دورًا مشابهًا لمحطات الزلازل ShakeAlert. عندما تبدأ إحدى وحدات Qube في الاهتزاز ، يمكن أن تنبه المستخدمين في جميع أنحاء المدينة من وقوع زلزال قادم. ولكن على عكس محطات الزلازل ، فإن Qubes صغيرة وغير مكلفة. لذلك ، يمكن تركيب المزيد منها حول المدينة.
يقول فيفيان إن الهدف النهائي هو إنشاء مثل هذه الشبكة الزلزالية منخفضة التكلفة في المناطق منخفضة الدخل التي قد تكون أكثر عرضة للزلازل. "أريد أن أكون قادرًا على وضع شبكة مثل ما أقوم ببنائه الآن في تلك الأنواع من المجتمعات في جميع أنحاء العالم."
إعادة اختراع الجناح
مثل Ben و Vivien ، يقوم Ethan Wong البالغ من العمر 17 عامًا بتجديد التكنولوجيا الحالية. تركيزه:الطائرات.
تقريبا كل الطائرات لها ذيل. يمنع الذيل أنف الطائرة من الانحراف أثناء الانعطاف. يضيف الهيكل ثباتًا لكنه يثقل كاهل الطائرة. يمكن أن تؤدي أجنحة الطائرة المصممة خصيصًا نفس وظيفة الذيل. هذا يمكن أن يعزز كفاءة الطيران ويقلل من التكلفة البيئية للسفر الجوي. لكن هناك مشكلة. يجب أن تلتف هذه الأجنحة بطريقة دقيقة جدًا تجعل تصنيعها صعبًا.
أصبح إيثان مفتونًا بهذا النوع من تصميم الطائرات عندما شاهد مقطع فيديو لطائرة Prandtl-D التابعة لناسا وهي تحلق برشاقة في الهواء بدون ذيل. يقول إيثان:"لقد اعتقدت أن هذا رائع حقًا". إنه طالب في السنة الأخيرة في مدرسة أركاديا الثانوية في كاليفورنيا. يقوم إيثان ببناء نماذج طائرات من أجل المتعة. تساءل عما إذا كان يمكنه إيجاد طريقة أبسط لتحقيق نفس الرحلة الخالية من الذيل.
يقول إيثان:"ما فعلته كان مجرد تجربة وخطأ". باستخدام نموذج كمبيوتر لجناح الطائرة ، قام بتعديل زاوية الالتواء على طول الجناح حتى يتمكن من تحقيق طيران بدون ذيل. يقول إيثان إن مثل هذا الجناح عادةً "يتطلب توزيعًا مستمرًا للالتواء في الجناح". لكنه يمكن أن يحقق تأثيرًا مشابهًا مع الأجنحة التي تحتوي على أجزاء قليلة من الالتواء. "إنه سهل للغاية."
في مرآبه ، بنى إيثان نماذج طائرات باستخدام الفوم وشريط التغليف لاختبار تصميمه. يقول إيثان:"كان ذلك رائعًا لرؤية الطائرة في الهواء". "لقد طارت بشكل جيد حقًا."
يمكن للطائرات الأخف وزنًا والأكثر كفاءة أن تفتح الباب أمام ابتكارات السفر الجوي الأخرى. يقول إيثان:"لقد كان هدفي بعيد المدى أن أقوم ببناء طائرة شمسية يمكنها الطيران طوال اليوم بواسطة الألواح الشمسية الموجودة على أجنحتها". "إنه ممكن تمامًا لطائرة فعالة حقًا."
بالنسبة للمراهقين الآخرين الذين لديهم أفكار هندسية كبيرة يرغبون في استكشافها ، فإن إيثان لديه كلمة واحدة:المثابرة. يقول:"لا تستسلم أبدًا". حتى عندما يكون من المستحيل فهم بعض الآلات ، فمن المفيد أن نتذكر أن أعظم المخترعين في العالم كانوا بشرًا فقط. ويضيف إيثان:"تأكد أيضًا من أنك تحب كل ما تفعله". "هذا سيجعل متابعة كل شيء أسهل كثيرًا."
فوز كبير للباحث الكوني
في حفل احتفالي الليلة الماضية ، فازت كريستين يي ، 17 عامًا ، بالمركز الأول - و 250 ألف دولار - في مسابقة Regeneron Science Talent Search لهذا العام. درس المراهق ، الذي ينحدر من مدينة ساماميش بواشنطن ، موجات الجاذبية المنبعثة في تصادمات قوية بين النجوم النيوترونية (النجوم المنهارة فائقة الكثافة) والثقوب السوداء. حللت كريستين البيانات التي تم جمعها بواسطة مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) لنمذجة النجوم النيوترونية سريعة الدوران. لقد أظهرت أن النجم النيوتروني سريع الدوران يمكن أن يكون هائلاً للغاية ، لكنه يظل أصغر من الثقب الأسود.
سيحصل فيكتور كاي ، الفائز بالمركز الثاني ، من مدينة أوريفيلد ، بنسلفانيا ، على 175 ألف دولار. ابتكر الشاب البالغ من العمر 18 عامًا رادارًا قصير المدى ضيق النطاق بدقة تصل إلى 12 سم (4.7 بوصة). يأمل فيكتور أن تتمكن هذه التكنولوجيا من خفض احتياجات النطاق الترددي للسيارات ذاتية القيادة بحيث يمكن للطرق استيعاب المزيد منها.
المركز الثالث و 150.000 دولار ذهب إلى Amber Luo ، 18 عامًا ، من Stony Brook ، نيويورك. طورت برنامج كمبيوتر (RiboBayes) للنظر في كيف يمكن للمرض تغيير المناطق الرئيسية في خيط واحد من RNA - المواقع التي تتحكم في إنتاج البروتينات الخلوية. تأمل آمبر أن تساعد أبحاثها العلماء في فهم أفضل لما يكمن وراء ظروف مثل مرض الزهايمر والسرطان.
سبعة آخرين من كبار السن في المدرسة الثانوية حصلوا على ما بين 40 ألف دولار و 100 ألف دولار. حصل 30 متسابقًا متسابقًا على 25000 دولارًا لكل منهم. شاهد مقاطع الفيديو لترى كل من الفائزين العشرة الأوائل وهم يصفون أبحاثهم وآثارها.
