Engineering Thrills

Att gå huvudet över styret på en downhill cykelled skulle skrämma vem som helst. Men för Anette Peko Hosoi, att krascha sin cykel genom Highland Mountain Bike Park i Northfield, New Hampshire, gav henne också en adrenalinkick och i slutändan en blixt av teknisk insikt: vad skulle det krävas för att designa en bättre cykel?

Joshua Slocum ’10, MEng ’11, (vänster) och Folkers Rojas ’08, SM ’11, (höger) får en lektion i kiteboarding av en instruktör på Kanaha Beach i Maui.

På sin första resa till parken – en ombyggd skidort som tar cyklister upp 600 fot med stollift till toppen – försökte Hosoi, en MIT-professor i maskinteknik, de branta, granitväggiga stigarna på en terrängcykel med spännande dåliga resultat.

Jag gick över mitt styre åtta gånger den dagen, minns hon. Och jag tänkte: 'Det här är det bästa jag någonsin gjort! Tänk om jag hade rätt cykel.'
Blåslagen och blodig gick hon online så fort hon kom hem och letade efter en downhillcykel. Det hon hittade var design som fanns över hela kartan: stötdämpare, främre fjädringssystem och styrmekanismer varierade från cykel till cykel, och det var inte klart hur sådana funktioner påverkade prestandan.

På den tiden undervisade Hosoi i en kurs i mekanik och material, och hon lade upp problemet för sina elever och bad dem analysera de mekaniska belastningar som en cykel skulle deformeras under. Under tiden tillbringade hon sina kvällar med att rita fria kroppsdiagram – grova skisser av krafterna som verkar på en cykel i olika scenarier.

I tillfälliga samtal nämnde Hosoi sina diagram för andra MIT-fakultetsmedlemmar. Hon upptäckte snabbt att hon inte var den enda spänningssökaren i gänget.

Det visar sig att halva vår fakultet är garderobssportfanatiker, säger hon. De gör basebollstatistik, eller springer triathlon, eller är intresserade av Formel 1 eller segling, och många av dem gör dessa diagram i deras garage på helgerna.

Hosoi lade sitt cykelprojekt på is för att fokusera på ett större mål: att länka samman dessa sportälskande ingenjörer för att bilda ett nav för forskning om sportteknologi. Hon föreställde sig ett program som matchar MIT-innovatörer med sportartiklar som letar efter nya produkter.

Hösten 2011 skapade Hosoi och cirka 25 fakultetsmedlemmar från olika institutioner formellt STE@M (Sports Technology and Education at MIT), ett program som kopplar samman studenter, fakulteter, industripartners och idrottare så att de kan arbeta tillsammans i projekt på skärningspunkten mellan sport och teknik. Dessa projekt – som kan ta formen av en doktorsavhandling, grundutbildning, en professors sidosatsning eller en klassuppgift – utvecklar sådana idéer som en app för fantasyfotboll som trollar Twitter för liveuppdateringar, en modell för att analysera kiteboardprestanda, och en starkare, billigare monoski för funktionshindrade skidåkare.

Projekten hämtar också från ett brett utbud av ingenjörsdiscipliner, säger Kim Blair, rådgivare till STE@M och vice vd för produktteknikföretaget Cooper Perkins. Aerodynamik, mänskliga faktorer, termodynamik, värmeöverföring - du kan fortsätta och fortsätta, säger han.

Blair arbetar med studenter och sportartiklar för att komma på utmaningar inom sportteknik. Det är en roll som han är bekväm i: 1999 grundade han ett liknande program, Sports Innovation vid MIT, som han nu införlivar i STE@M. Som forskningsingenjör vid institutionen för flyg- och astronautik drev han programmet i 14 år, under vilken tid eleverna byggde en apparat för att mäta prestandan hos basebollträn och handskar och utvecklade ett noggrant cykeltestsystem som inkluderar mjukvara och ett stativ som minimerar störningar för föraren.

Ett av de projekt som fick mest draghjälp var en ny design för en triathlonsko. Blair, som har tävlat i många triathlon- och Iron Man-lopp, fann att ingen sneaker på marknaden mötte alla en triathlets behov. Tävlande måste snabbt byta från cykelskor till löparskor, och de återfuktar vanligtvis mer än maratonlöpare, vilket ökar risken för vattenspill under en löprunda. En löparsneaker som är lätt att ta på, och som minimerar fuktuppbyggnad, skulle ge en triathlet den extra kanten.

Blair tittade först på MITs spårteam för en intresserad student, och tillsammans lade han och Chi-An Wang ’01 idén till skoföretaget New Balance. Med företagets stöd kom teamet 2001 med en prototyp för en triathlonsko, som New Balance så småningom tog ut på marknaden. Blair bar sneakers i tävling i tre säsonger innan företaget slutade tillverka dem.

Den hade en ganska betydande körning, minns han. Och det vi kände var väldigt viktigt med den här skon är att den sa att företaget var redo att testa något nytt.

Vind i sina segel
Den viljan att experimentera är en egenskap Blair letar efter när han kontaktar potentiella STE@M-partners. Senast hjälpte han till att underlätta en koppling till friluftsföretaget Patagonia.

Tetsuya O'Hara, chef för avancerad forskning och utveckling vid Patagonia, föreslog att man skulle hålla en veckolång workshop för MIT-fakulteten och studenter i Maui, Hawaii, för att lära sig om vindteknik och uppleva vindsporter i första hand. Medan Patagonia huvudsakligen tillverkar utomhuskläder, säger O'Hara att företaget tillverkar en surfbräda och andra surfrelaterade produkter.

O'Hara säger att MIT kanske kan erbjuda Patagonien nya perspektiv på sportteknik. [STE@M] lärare och studenter förstår idrott, så de har ett öga från användaren, och vi kan använda samma språk som en idrottsman, säger han.

Inte överraskande översvämmades Hosoi med förfrågningar om att få följa med på resan. Hon begränsade så småningom fältet till sökande som visade två egenskaper: en mångsidig ingenjörsportfölj och en kärlek till sport.

Jag letade efter en överlappning av dessa två passioner, säger hon. När jag cyklade nedför och gick över styret visste jag precis vad jag behövde. Så du måste vara en del av den kulturen om du vill förnya dig inom den kulturen.

I januari 2013 åkte Hosoi till Hawaii med professor i maskinteknik Alex Slocum ’82, SM ’83, PhD ’85 och 15 studenter, inklusive några universitetsidrottare som skulle behöva missa teamträning den veckan. För att få tillstånd för dem att åka på resan slöt Hosoi och Slocum ett avtal med MIT:s bantränare: Slocum, en triathlet själv, lovade att springa med eleverna klockan 06.00 varje dag.

Väl i Maui kom gruppen förbi de professionella vindsurfarna Robby Naish och Francisco Goyas studior, där de observerade processen med att tillverka kiteboards. För att ge eleverna lite praktisk erfarenhet arrangerade Patagonia så att de fick lektioner varje morgon i en vindsport som surfing, paddleboarding, kiteboarding eller vindsurfing.

Vissa, som doktoranden Pawel Zimoch, hade aldrig deltagit i sådana sporter tidigare. Zimoch drogs särskilt till kiteboarding, där en surfare, som rider på en bräda medan han håller i en stor drake, fångar en vindpust som svävar upp till 40 fot över vattenytan. Kiteboarding är en relativt ny sport och designen för både draken och brädan har snabbt utvecklats i takt med att deltagarna, som mixtrat i sina verkstäder, har kommit på konfigurationer som gör att de kan gå snabbare och högre. Men dessa förbättringar har avtagit de senaste åren.

Entusiaster baserade sina innovationer på sin intuition och sina erfarenheter, säger Zimoch. Vid en viss punkt … vad som blir viktigt är en förståelse för de fysiska principerna.

Som Hosoi hade upptäckt när han studerade downhillcyklar, insåg Zimoch att det inte var klart vad som gjorde en kiteboard bättre än en annan. Efter att ha återvänt till fastlandet började han och några andra studenter testa drakarnas prestanda i MIT:s vindtunnel. Även om de fann det svårt att få några meningsfulla mätningar av en drakes motstånd under olika förhållanden, hoppas de också kunna mäta prestanda för brädor i MIT:s bogsertank.

Zimoch utvecklar också en grundläggande beräkningsmodell som designers kan använda för att analysera hur en drake och bräda, givet vissa dimensioner och egenskaper, kommer att flyga i olika vindförhållanden. Han säger att modellen kan hjälpa designers att tillverka kiteboards som är bättre lämpade för låga vindar. Det kan öppna sporten för nya stränder och bredda marknaden bortom de få platserna med de höga, jämna vindar som kiteboarding kräver idag.

Även om det var viktigt att förstå vindens fysik för att bygga kiteboardmodellen, visade det sig också att förtrogenhet med känslan av kiteboarding var avgörande.

Den fysiska beröringen gjorde det möjligt för mig att resonera om det på ett meningsfullt sätt, säger Zimoch, som vid det här laget har åkt kiteboard med andra teammedlemmar längs stränderna i Nahant, Massachusetts. Jag kan sitta vid mitt skrivbord och tänka tillbaka på hur det känns när draken drar över dig och hur den reagerar. Det är mycket användbart.

Dagens fångst
Inte långt efter att gruppen återvänt från Hawaii fick Hosoi ett spännande förslag från Okuma, en tillverkare av högpresterande fiskeredskap. Företaget hade hört talas om STE@M genom Patagonia och ville arbeta med MIT för att designa bättre rullar för djuphavsfiske. En dag i september chartrade den en båt utanför Cape Cods kust och var värd för Hosoi, tre andra fakultetsmedlemmar och Blair. Vi fick alla fisk, säger Hosoi. Jag gick hem och stekte ett gäng blåfiskar, och de lämnade en kappsäck full med rullar till oss.

Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, biträdande professor i maskinteknik, hade fiskat som barn men hade inte haft mycket erfarenhet sedan dess. Men båtturen fick honom att fundera, och han tog med sig väskan med rullar hem för närmare granskning. Medan han lekte tappade han en av misstag och bröt den eleganta designen i bitar. Ända som ingenjör tog han tillfället i akt att helt demontera rullen för att förstå hur den fungerade. Sedan skrev han snabbt en designgranskning för företaget. Han upptäckte att belastningen på några av de gjutna delarna gjorde rullen mottaglig för att gå sönder, och föreslog förändringar som kan göra den starkare och mer böjbar, som att byta ut några av dessa delar med plast. Han rekommenderade också ett sätt att styva spinnaren (som rullar i linan) genom att ändra dess geometri.

Jag fortsatte prata med dem och vi satte ihop ett konsultprojekt, vilket jag tycker är en ganska bra första dejt, säger Winter.

En av utmaningarna han planerar att ta itu med är korrosion. Djuphavsfiske innebär exponering för hårt väder och saltvatten, vilket kan täppa till och fräta en rulle. Utrustning kan också bryta ner från värmen som genereras genom att dra in, säg, en 400-punds tonfisk. Winter kommer att arbeta med företaget för att designa en mer korrosionsbeständig rulle som lättare bär laster – vilket innebär att en sportfiskare skulle behöva mindre kraft för att få in en fångst.

Rise of a downhill design
Medan de flesta elever lär sig om STE@M genom sina professorer eller klasskamrater, fick junior Valerie Andersen reda på programmet genom sina morföräldrar. Andersen, som praktiskt taget växte upp på skidor, är en alpin racer i MITs skidlag. Hennes morföräldrar mailade henne en nyhetsartikel om Turtle Ridge Foundation, en ideell organisation som grundades av den olympiska guldmedaljören Bode Miller. Organisationen utvecklade en ny version av den monoski som funktionshindrade använder – en enda skida med en liten sits fäst. Stiftelsen hade för avsikt att designa en modell som skulle prestera bättre och kosta mindre än befintliga modeller.

Cameron Shaw-Doran testar den nya monoski-designen som MIT-forskare utvecklar genom STE@M.

Artikeln nämnde en MIT-forskare som samarbetade kring designen: Karl Iagnemma, SM ’97, PhD ’01, huvudforskare vid Laboratory for Manufacturing and Productivity och medlem av STE@M. Andersen sökte snabbt upp Iagnemma och kom med i laget.

Även om Andersen hade tränat en kort stund tillsammans med USA:s paralympiska skidlag som sophomore, hade hon aldrig använt en monoski och skulle inte ha kunnat säga om en designjustering orsakade någon mätbar förbättring av prestanda. Den värdefulla feedbacken kom från Cameron Shaw-Doran, chef för FoU vid stiftelsen och en konkurrenskraftig adaptiv skidåkare. 1997 var Shaw-Doran, som varit skidåkare sedan två års ålder, i en bilolycka som förlamade honom från bröstet och nedåt. Miller, en livslång vän, hjälpte honom genom hans återhämtning, och Shaw-Doran återvände så småningom till skidåkningen och utforskade de olika monoskisarna på marknaden.

Det största hindret i de flesta konstruktioner, fann Shaw-Doran, var en otillräcklig fjädring, vilket fick honom att studsa för mycket när han strök nerför ett spår. Om jag kunde hitta någon att designa en stöt som kan göra vad Bode Millers knän kan göra, skulle jag vara mångmiljardär, skämtar han.

Han och Iagnemma hoppas kunna integrera ett förbättrat fjädringssystem i sin monoski-design. Än så länge är prototypen lättare än andra kommersiella konstruktioner, och dess något förskjutna fotplatta minskar chansen att skidans spets träffar en sten.

Shaw-Doran testade den nya skidan på Mount Hood i Oregon och säger att han kände sig väldigt kopplad till den. Jag kan bara röra mig från bröstet och upp. Om någon av den rörelsen tappas i överföringen till skidan tappar jag energi, säger han. Så det var en otroligt bra känsla.

I december tog Shaw-Doran monoski till Colorado, där han tävlade om en plats i USA:s nationella adaptiva alpina skidlag och det paralympiska alpina skidlaget. Han säger att arbetet med MIT också har väckt ett intresse för ingenjörskonst.

Att arbeta med aluminium, stål och titan och förstå hur mjukt aluminium är jämfört med stål och mängden vibrationer som överförs genom det – jag skulle älska att lära mig mer, säger han.

Fler ekrar för navet
Hosoi hoppas att STE@M kommer att etablera MIT som en resurs för innovation inom friidrottsbranschen. Hon vill lägga till fler ekrar till STE@M:s nav och för diskussioner med Nike och Red Bull om partnerskap. Fler industripartners kan trots allt gynna studenter som vill göra karriärer inom sportteknik.

I slutändan, säger Hosoi, är målet med programmet att hjälpa elever kanalisera sina passioner.

Vi visar människor hur de kan tillämpa sin tekniska expertis på saker de verkligen är entusiastiska över, säger hon. Jag vill att den typen av energi ska genomsyra STE@M.

Dölj