Technische sensaties

Over het stuur gaan op een downhill-fietspad zou iedereen bang maken. Maar voor Anette Peko Hosoi gaf het crashen van haar fiets door het Highland Mountain Bike Park in Northfield, New Hampshire, haar ook een adrenalinestoot en uiteindelijk een flits van technisch inzicht: wat zou er nodig zijn om een ​​betere fiets te ontwerpen?

Joshua Slocum '10, MEng '11, (links) en Folkers Rojas '08, SM '11, (rechts) krijgen een les in kiteboarden van een instructeur op Kanaha Beach in Maui.

Tijdens haar eerste reis naar het park - een herbestemd skiresort dat fietsers 200 voet per stoeltjeslift naar de top brengt - probeerde Hosoi, een MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde, de steile, granieten ommuurde paden op een crosscountryfiets, met spannende slechte resultaten.

Ik ging die dag acht keer over mijn stuur, herinnert ze zich. En ik dacht: 'Dit is het beste wat ik ooit heb gedaan! Stel je voor dat ik de juiste fiets had.’
Gekneusd en bebloed ging ze online zodra ze thuiskwam, op zoek naar een downhill-fiets. Wat ze ontdekte, waren ontwerpen die overal op de kaart stonden: schokdempers, voorwielophangingsystemen en stuurmechanismen varieerden van fiets tot fiets, en het was niet duidelijk hoe dergelijke functies de prestaties beïnvloedden.

Destijds gaf Hosoi een cursus mechanica en materialen, en ze legde het probleem voor aan haar studenten en vroeg hen de mechanische belastingen te analyseren waaronder een fiets zou vervormen. In de tussentijd bracht ze haar avonden door met het tekenen van vrijlichaamsdiagrammen - ruwe schetsen van de krachten die op een fiets in verschillende scenario's werken.

In een informeel gesprek noemde Hosoi haar diagrammen aan andere MIT-faculteitsleden. Ze ontdekte al snel dat ze niet de enige sensatiezoeker in het stel was.

Het blijkt dat de helft van onze faculteit kastsportfanaten zijn, zegt ze. Ze doen honkbalstatistieken of lopen triatlons, of houden van Formule 1 of zeilen, en veel van hen maken deze diagrammen in hun garage in het weekend.

Hosoi zette haar fietsproject stop om zich te concentreren op een groter doel: het koppelen van die sportminnende ingenieurs om een ​​hub te vormen voor onderzoek naar sporttechnologie. Ze had een programma voor ogen dat MIT-innovators koppelt aan bedrijven in sportartikelen die op zoek zijn naar nieuwe producten.

In het najaar van 2011 hebben Hosoi en ongeveer 25 faculteitsleden van verschillende afdelingen formeel STE@M (Sports Technology and Education at MIT) opgericht, een programma dat studenten, docenten, industriële partners en atleten met elkaar verbindt, zodat ze kunnen samenwerken aan projecten op het snijvlak van sport en techniek. Deze projecten - die de vorm kunnen aannemen van een afstudeerscriptie, een bacheloronderzoek, een nevenactiviteit van een professor of een klasopdracht - ontwikkelen ideeën als een app voor fantasievoetbal die Twitter trollt voor live-updates, een model om de prestaties van kiteboards te analyseren, en een sterkere, goedkopere monoski voor gehandicapte skiërs.

De projecten putten ook uit een breed scala aan technische disciplines, zegt Kim Blair, een adviseur van STE@M en vice-president van het productengineeringbedrijf Cooper Perkins. Aerodynamica, menselijke factoren, thermodynamica, warmteoverdracht - je zou maar door kunnen gaan, zegt hij.

Blair werkt samen met studenten en bedrijven in sportartikelen om uitdagingen op het gebied van sporttechniek te bedenken. Het is een rol waarin hij zich op zijn gemak voelt: in 1999 richtte hij een soortgelijk programma op, Sports Innovation aan het MIT, dat hij nu opneemt in STE@M. Als onderzoeksingenieur bij de afdeling Lucht- en Ruimtevaart, leidde hij het programma 14 jaar, gedurende welke tijd studenten een apparaat bouwden om de prestaties van honkbalknuppels en -handschoenen te meten en een nauwkeurig fietstestsysteem ontwikkelden met software en een standaard die minimaliseert interferentie met de rijder.

Een van de projecten die de meeste grip kreeg, was een nieuw ontwerp voor een triatlonschoen. Blair, die aan talloze triatlons en Iron Man-races heeft deelgenomen, ontdekte dat geen enkele sneaker op de markt aan alle behoeften van een triatleet voldeed. Concurrenten moeten snel van fietsschoenen in hardloopschoenen veranderen, en ze hydrateren doorgaans ook meer dan marathonlopers, waardoor de kans groter wordt dat er water wordt gemorst tijdens een run. Een hardloopsneaker die gemakkelijk aan te trekken is en die vochtophoping minimaliseert, zou een triatleet dat extra voordeel geven.

Blair keek eerst naar het MIT-trackteam voor een geïnteresseerde student, en samen gooiden hij en Chi-An Wang '01 het idee naar het schoenenbedrijf New Balance. Met de steun van het bedrijf kwam het team in 2001 met een prototype voor een triatlonschoen, die New Balance uiteindelijk op de markt bracht. Blair droeg de sneakers drie seizoenen in competitie voordat het bedrijf stopte met het maken ervan.

Het had een vrij significante run, herinnert hij zich. En wat we echt belangrijk vonden aan deze schoen, was dat het bedrijf er zin in had om iets nieuws te proberen.

Wind in de zeilen
Die bereidheid om te experimenteren is een kwaliteit die Blair zoekt bij het benaderen van potentiële STE@M-partners. Meest recentelijk hielp hij een connectie te maken met het outdoorbedrijf Patagonia.

Tetsuya O'Hara, directeur van geavanceerd onderzoek en ontwikkeling in Patagonië, stelde voor om een ​​workshop van een week te houden voor MIT-faculteiten en studenten in Maui, Hawaii, om meer te weten te komen over windtechnologie en windsporten uit de eerste hand te ervaren. Terwijl Patagonia voornamelijk buitenkleding maakt, zegt O'Hara dat het bedrijf een surfplank en andere surfgerelateerde producten maakt.

O'Hara zegt dat MIT Patagonië mogelijk nieuwe perspectieven op sporttechnologie kan bieden. [STE@M] docenten en studenten begrijpen sport, dus ze hebben een oog van de gebruiker, en we kunnen dezelfde taal gebruiken als een sportman, zegt hij.

Het is niet verrassend dat Hosoi werd overspoeld met verzoeken om deel te nemen aan de reis. Uiteindelijk verkleinde ze het veld tot kandidaten die twee kwaliteiten aan de dag legden: een gevarieerd technisch portfolio en een voorliefde voor sport.

Ik was op zoek naar een overlap van deze twee passies, zegt ze. Door die fiets bergafwaarts te rijden en over het stuur te gaan, wist ik precies wat ik nodig had. Je moet dus onderdeel zijn van die cultuur als je binnen die cultuur wilt innoveren.

In januari 2013 ging Hosoi naar Hawaï met professor werktuigbouwkunde Alex Slocum '82, SM '83, PhD '85 en 15 studenten, waaronder een paar varsity-atleten die die week teamtraining zouden moeten missen. Om toestemming te krijgen om op reis te gaan, sloten Hosoi en Slocum een ​​deal met de baancoach van het MIT: Slocum, zelf triatleet, beloofde elke dag om 6 uur met de studenten te rennen.

Eenmaal in Maui ging de groep langs bij de studio's van professionele windsurfers Robby Naish en Francisco Goya, waar ze het proces van het handgemaakte kiteboards observeerden. Om de studenten wat praktische ervaring te geven, regelde Patagonia dat ze elke ochtend lessen kregen in een windsport zoals surfen, paddleboarden, kiteboarden of windsurfen.

Sommigen, zoals afgestudeerde student Pawel Zimoch, hadden nog nooit aan dergelijke sporten deelgenomen. Zimoch voelde zich vooral aangetrokken tot kiteboarden, waarbij een surfer, die op een plank rijdt terwijl hij een grote vlieger vasthoudt, een windvlaag opvangt om tot 40 voet boven het wateroppervlak te stijgen. Kiteboarden is een relatief nieuwe sport, en ontwerpen voor zowel de kite als het board zijn snel geëvolueerd doordat deelnemers, knutselend in hun workshops, configuraties hebben bedacht waarmee ze sneller en hoger kunnen gaan. Maar deze verbeteringen zijn de afgelopen jaren vertraagd.

Liefhebbers baseerden hun innovaties op hun intuïtie en ervaringen, zegt Zimoch. Op een gegeven moment … wat belangrijk wordt, is een begrip van de fysieke principes.

Zoals Hosoi had ontdekt bij het bestuderen van downhill-fietsen, realiseerde Zimoch zich dat het niet duidelijk was wat het ene kiteboard beter maakte dan het andere. Nadat hij op het vasteland was teruggekeerd, begon hij en een paar andere studenten de prestaties van vliegers te testen in de windtunnel van MIT. Hoewel ze het moeilijk vonden om zinvolle metingen van de weerstand van een vlieger in verschillende omstandigheden te verkrijgen, hopen ze ook de prestaties van boards in de sleeptank van MIT te meten.

Zimoch ontwikkelt ook een basiscomputermodel dat ontwerpers kunnen gebruiken om te analyseren hoe een vlieger en board, gegeven bepaalde afmetingen en kenmerken, in verschillende windomstandigheden zullen vliegen. Hij zegt dat het model ontwerpers kan helpen bij het maken van kiteboards die beter geschikt zijn voor lage wind. Dat zou de sport naar nieuwe stranden kunnen openen en de markt kunnen verbreden tot voorbij de weinige locaties met de hoge, constante wind die kiteboarden tegenwoordig vereist.

Hoewel het begrijpen van de fysica van wind essentieel was voor het bouwen van het kiteboardmodel, bleek bekendheid met de sensatie van kiteboarden ook van cruciaal belang.

Door de fysieke aanraking kon ik er op een zinvolle manier over redeneren, zegt Zimoch, die inmiddels met andere teamleden is gaan kiteboarden langs de stranden van Nahant, Massachusetts. Ik kan aan mijn bureau zitten en terugdenken aan hoe het voelt als de vlieger je overtrekt en hoe hij reageert. Dat is erg handig.

Vangst van de dag
Niet lang nadat de groep terugkeerde uit Hawaï, ontving Hosoi een intrigerend voorstel van Okuma, een fabrikant van hoogwaardige visuitrusting. Het bedrijf had via Patagonië van STE@M gehoord en wilde met MIT samenwerken om betere molens voor diepzeevissen te ontwerpen. Op een dag in september charterde het een boot voor de kust van Cape Cod en bood het onderdak aan Hosoi, drie andere docenten en Blair. We hebben allemaal vis gevangen, zegt Hosoi. Ik ging naar huis en bakte een bos blauwbaars, en ze lieten ons een plunjezak vol spoelen achter.

Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, een assistent-professor werktuigbouwkunde, was als kind gaan vissen, maar had sindsdien niet veel ervaring meer. Maar de boottocht zette hem aan het denken en hij nam de zak met haspels mee naar huis voor nadere inspectie. Tijdens het spelen liet hij er per ongeluk een vallen, waardoor het strakke ontwerp in stukken brak. Ooit de ingenieur, maakte hij van de gelegenheid gebruik om de haspel volledig te demonteren om te begrijpen hoe het werkte. Daarna maakte hij snel een ontwerpbeoordeling voor het bedrijf. Toen hij ontdekte dat de belasting van sommige gegoten onderdelen de haspel vatbaar maakte voor breuk, stelde hij veranderingen voor die hem sterker en buigzamer zouden kunnen maken, zoals het vervangen van sommige van die onderdelen door plastic. Hij adviseerde ook een manier om de spinner (die in de lijn oprolt) te verstevigen door de geometrie ervan te veranderen.

Ik bleef met ze praten en we hebben een adviesproject opgezet, wat volgens mij een redelijk goede eerste date is, zegt Winter.

Een van de uitdagingen die hij wil aanpakken, is corrosie. Bij diepzeevissen wordt u blootgesteld aan barre weersomstandigheden en zout water, waardoor een haspel kan verstoppen en corroderen. Apparatuur kan ook kapot gaan door de hitte die wordt gegenereerd door bijvoorbeeld een tonijn van 400 pond naar binnen te trekken. Winter zal met het bedrijf samenwerken om een ​​corrosiebestendigere molen te ontwerpen die ladingen gemakkelijker kan dragen, wat betekent dat een visser minder kracht nodig heeft om een ​​vangst binnen te halen.

Opkomst van een downhill-ontwerp
Terwijl de meeste studenten STE@M leren kennen via hun professoren of klasgenoten, ontdekte junior Valerie Andersen het programma via haar grootouders. Andersen, die praktisch op ski's is opgegroeid, is een alpine racer in het MIT-skiteam. Haar grootouders mailden haar een nieuwsartikel over de Turtle Ridge Foundation, een non-profitorganisatie die is opgericht door Bode Miller, een Olympisch gouden medaillewinnaar. De organisatie ontwikkelde een nieuwe versie van de monoski die mensen met een handicap gebruiken: een enkele ski met een klein zitje eraan. De stichting wilde een model ontwerpen dat beter zou presteren en minder zou kosten dan bestaande modellen.

Cameron Shaw-Doran test het nieuwe monoski-ontwerp dat MIT-onderzoekers ontwikkelen via STE@M.

In het artikel werd melding gemaakt van een MIT-onderzoeker die aan het ontwerp meewerkte: Karl Iagnemma, SM ’97, PhD ’01, hoofdonderzoeker in het Laboratory for Manufacturing and Productivity en lid van STE@M. Andersen zocht snel Iagnemma op en voegde zich bij het team.

Hoewel Andersen als tweedejaarsstudent kort samen met het Amerikaanse Paralympische skiteam had getraind, had ze nog nooit een monoski gebruikt en zou ze niet hebben kunnen zeggen of een ontwerpaanpassing een meetbare prestatieverbetering veroorzaakte. Die waardevolle feedback kwam van Cameron Shaw-Doran, directeur van R&D bij de stichting en een competitieve adaptieve skiër. In 1997 kreeg Shaw-Doran, die sinds zijn twee jaar skiër was, een auto-ongeluk waarbij hij vanaf zijn borst verlamd raakte. Miller, een vriend voor het leven, hielp hem bij zijn herstel en Shaw-Doran keerde uiteindelijk terug naar skiën en verkende de verschillende monoski's op de markt.

Het belangrijkste obstakel in de meeste ontwerpen, ontdekte Shaw-Doran, was een ontoereikende ophanging, waardoor hij te veel stuiterde toen hij over een pad schoot. Als ik iemand zou kunnen vinden die een schokbreker kan ontwerpen die kan doen wat de knieën van Bode Miller kunnen, zou ik een multimiljardair zijn, grapt hij.

Hij en Iagnemma hopen een verbeterd veersysteem te integreren in hun monoski-ontwerp. Tot nu toe is het prototype lichter dan andere commerciële ontwerpen, en de licht verschoven voetplaat verkleint de kans dat de skitop een rots raakt.

Shaw-Doran testte de nieuwe ski op Mount Hood in Oregon en zei dat hij zich er erg mee verbonden voelde. Ik kan alleen bewegen vanaf mijn borst omhoog. Als er iets van die beweging verloren gaat bij de overdracht naar de ski, verlies ik energie, zegt hij. Dus het was een ongelooflijk goed gevoel.

In december nam Shaw-Doran de monoski mee naar Colorado, waar hij streden om een ​​plaats in het Amerikaanse nationale adaptieve alpineskiteam en het Paralympische alpineskiteam. Hij zegt dat het werken met MIT ook een interesse in techniek heeft aangewakkerd.

Werken met aluminium, staal en titanium en begrijpen hoe zacht aluminium wordt vergeleken met staal, en de hoeveelheid trillingen die erdoorheen worden overgebracht - ik zou graag meer willen leren, zegt hij.

Meer spaken voor de naaf
Hosoi hoopt dat STE@M MIT zal vestigen als een bron voor innovatie in de atletiekindustrie. Ze wil meer spaken toevoegen aan de hub van STE@M en is in gesprek met Nike en Red Bull over partnerschappen. Meer industriële partners zouden immers ten goede kunnen komen aan studenten die een carrière in de sporttechnologie willen nastreven.

Uiteindelijk, zegt Hosoi, is het doel van het programma om studenten te helpen hun passies te kanaliseren.

We laten mensen zien hoe ze hun technische expertise kunnen toepassen op dingen waar ze echt enthousiast over zijn, zegt ze. Ik wil dat die energie doordringt in STE@M.

zich verstoppen