Ethan Wong 正在研究他的无尾飞机机翼。照片：科学学会 Ethan Wong 正在研究他的无尾飞机机翼。照片：科学学会

经常看到虚构的发明家在大而精美的实验室中辛勤工作。但现实世界的创新并不需要如此精巧的组合。只需询问今年 Regeneron Science Talent Search 的决赛入围者即可。这项一年一度的活动是全国首屈一指的科学和数学竞赛。这是给高中生的。

2022 年的阵容包括几位年轻的发明家。他们把地下室、浴室和车库变成了车间。他们的发明可以改善假肢、地震预警系统甚至航空旅行。

由大脑控制的机械臂

Ben Choi 的目标很简单：制造可以读心的机器。

在他 8 岁的时候，Ben 看了一部关于脑控假肢的纪录片。它们也被称为假肢。这些设备可以帮助四肢缺失的人进行日常活动，例如走路、吃饭或穿衣。

“我真的很惊讶，”这位现年 17 岁的弗吉尼亚州麦克莱恩波托马克学校的大四学生回忆道。“但这也非常令人担忧。” 安装这些假肢的过程需要进行危险的脑部手术。四肢可能要花费数十万美元。

因此，在 2020 年，Ben 着手打造自己的非侵入性、低成本仿生手臂。他在地下室的乒乓球台上开了店。Ben 使用了三维 (3D) 打印机。3D 打印是使用机器从数字文件中形成 3D 对象的过程。3D 打印机采用一种材料并将其分层添加以制作某些东西。

要控制 Ben Choi 的新机械臂，用户只需在前额佩戴一组电极时考虑如何移动机械臂。照片：科学学会

Ben 使用 3D 打印机制作了一只手臂。在更新他的设计超过 75 次之后，Ben 展示了一个精致的版本。它的制作成本不到 300 美元。

手臂由戴在额头上的电极控制。电极是一种传感器。传感器是获取物理或化学条件信息的设备。本的传感器窃听大脑的电活动或脑电波。

考虑不同的手臂动作，例如挥手或握拳，会产生不同的脑电波模式。然后，人工智能 (AI) 系统破译这些脑电波以移动机械臂。人工智能是一种使用算法的方法，算法是代码中的一系列指令。这些算法可以教机器发现模式并做出决定。

必须训练人工智能系统来解释不同的脑电波。本来从学校和家人的志愿者那里收集了脑电波数据。“从这些参与者那里，我收集了大概一两个小时的脑电波活动，”他说。研究这些数据有助于人工智能系统学会读心。

他说，在早期测试中，Ben 的机械臂与世界上最好的脑控假肢一样灵活。这种仿生手臂可能会改变假肢技术的游戏规则。

地震警报使用运动传感器

Vivien He 的发明灵感离家更近了。她是加利福尼亚州帕洛斯维德斯半岛高中的一名大四学生。这位 18 岁的女孩小时候在地震演习中花了很多时间蜷缩在课桌下。

地震预警系统确实存在。一个是美国西海岸的 ShakeAlert 系统。ShakeAlert 网络中的站点可在地震发生时检测到地面振动。然后这些电台会提醒人们，它们下面的地面可能很快就会开始隆隆作响。但是很难预测任何给定地方的地面会震动多少。

Vivien He 的新型地震感应设备 Qube 大约有魔方那么大，制造成本不到 100 美元。照片：克里斯·艾尔斯/科学学会

为了让人们更好地了解他们脚下的地面，Vivien 专注于震颤。这些是通过地面传播的地震产生的波。

因此，Vivien 创造了 Qube。它是使用运动传感器的家用地震探测器。它可以感觉到轻微的震颤，这可能标志着更大地震的开始。然后，该设备可以通过发出警报或发送文本警报来警告用户。

Qube 大约有魔方那么大，制作成本不到 100 美元。Vivien 用焊接机制造了它。她通过观看 YouTube 视频学会了使用它。然后她去一个备用浴室工作。

在九个月的测试中，Vivien 的 Qube 检测到了加利福尼亚州洛杉矶周围所有 3 级以上的地震。震级是地震大小或强度的量度。它的范围从 0 到 7。低于 2.5 的地震非常小，通常感觉不到。然而，高于 6.1 的那些可能会在人口稠密的地区造成巨大的破坏。Qube 捕获的运动数据与专业地震仪的数据相匹配。

Vivien 现在正在洛杉矶周围建立一个 Qubes 网络。“我在不同的家里有八台设备，”她说。一个广泛的 Qube 网络可以起到与 ShakeAlert 地震台站类似的作用。当一个 Qube 开始震动时，它可以提醒整个城镇的用户即将发生地震。但与地震台站不同的是，Qubes 体积小且价格低廉。因此，可以在城市周围安装更多的设备。

新飞机设计可能会改变

与 Ben 和 Vivien 一样，17 岁的 Ethan Wong 正在改造现有技术。他的重点：飞机。

几乎所有的飞机都有尾巴。机尾防止飞机在转弯时机头转向。该结构增加了稳定性，但降低了飞机的重量。专门设计的飞机机翼可以起到与机尾相同的作用。这可以提高飞行效率并降低航空旅行的环境成本。但有一个问题。这些机翼必须以非常精确的方式扭曲，这使得它们难以制造。

模型飞机制造商 Ethan Wong 设计了一组机翼，可以使飞机更高效地飞行。照片：克里斯·艾尔斯/科学学会

当 Ethan 看到一段 NASA 的 Prandtl-D 飞机优雅地在空中滑翔的视频时，他对这种飞机设计着迷。它没有尾巴。“那真的很酷，”伊森说。他是加利福尼亚州阿卡迪亚高中的一名大四学生。伊森为了好玩而建造模型飞机。他想知道他是否能找到一种更简单的方法来实现同样的无尾飞行。

“基本上我所做的只是反复试验，”伊森说。他采用了计算机模型。这是一个在计算机上运行的程序，可以创建真实世界事件的模型或模拟。有了它，他可以模拟飞机飞行。当他操纵不同的细节时，他可以看到会发生什么。他调整了机翼的扭转角度，直到它实现无尾飞行。

在他的车库里，Ethan 使用泡沫和包装胶带制作了模型飞机来测试他的设计。“看到飞机在空中，那真是太酷了，”伊森说。“它飞得非常非常好。更轻、更高效的飞机可以为其他航空旅行创新打开大门。

对于其他想要探索大工程理念的青少年，Ethan 有一个词：坚持。“永远不要放弃，”他说。即使有些机器感觉无法理解，记住世界上最伟大的发明家也只是人类也有帮助。“此外，只要确保你热爱你所做的一切，”Ethan 补充道。“这将使追求一切变得容易得多。”