Emozioni ingegneristiche

Andare oltre il manubrio su una pista ciclabile in discesa spaventerebbe chiunque. Ma per Anette Peko Hosoi, far schiantare la sua bici attraverso l'Highland Mountain Bike Park a Northfield, nel New Hampshire, le ha dato anche una scarica di adrenalina e, infine, un lampo di intuizione ingegneristica: cosa ci vorrebbe per progettare una bici migliore?

Joshua Slocum '10, MEng '11, (a sinistra) e Folkers Rojas '08, SM '11, (a destra) ricevono una lezione di kiteboarding da un istruttore a Kanaha Beach a Maui.

Durante il suo primo viaggio al parco, una stazione sciistica riadattata che porta i ciclisti fino alla vetta di 600 piedi in seggiovia, Hosoi, un professore di ingegneria meccanica del MIT, ha tentato i ripidi sentieri con pareti di granito su una bicicletta da fondo, con un emozionante scarsi risultati.

Ho ripassato il manubrio otto volte quel giorno, ricorda. E ho pensato: 'Questa è la cosa più bella che abbia mai fatto! Immagina se avessi la bici giusta.'
Contusa e insanguinata, è andata online non appena è tornata a casa, alla ricerca di una bici da downhill. Quello che ha trovato erano progetti che erano ovunque: ammortizzatori, sistemi di sospensione anteriore e meccanismi di sterzo variavano da bici a bici, e non era chiaro come tali caratteristiche influissero sulle prestazioni.

All'epoca, Hosoi stava tenendo un corso di meccanica e materiali, e sottopose il problema ai suoi studenti, chiedendo loro di analizzare i carichi meccanici sotto i quali una bicicletta si sarebbe deformata. Nel frattempo, trascorreva le serate a disegnare diagrammi a corpo libero, schizzi approssimativi delle forze che agiscono su una bicicletta in diversi scenari.

In una conversazione casuale, Hosoi menzionava i suoi diagrammi ad altri membri della facoltà del MIT. Ha presto scoperto di non essere l'unica amante del brivido del gruppo.

Si scopre che metà della nostra facoltà sono fanatici dello sport, dice. Fanno statistiche sul baseball, o corrono triathlon, o sono appassionati di Formula 1 o di vela, e molti di loro fanno questi diagrammi nel loro garage nei fine settimana.

Hosoi ha sospeso il suo progetto sulla bici per concentrarsi su un obiettivo più ampio: collegare quegli ingegneri amanti dello sport per formare un hub per la ricerca sulla tecnologia sportiva. Ha immaginato un programma che mettesse in contatto gli innovatori del MIT con le aziende di articoli sportivi alla ricerca di nuovi prodotti.

Nell'autunno del 2011, Hosoi e circa 25 docenti di vari dipartimenti hanno creato formalmente STE@M (Sports Technology and Education at MIT), un programma che mette in contatto studenti, docenti, partner industriali e atleti in modo che possano lavorare insieme su progetti a l'intersezione tra sport e ingegneria. Questi progetti, che possono assumere la forma di una tesi di laurea, una ricerca universitaria, un'avventura parallela di un professore o un compito in classe, stanno sviluppando idee come un'app per il fantacalcio che trolla Twitter per aggiornamenti in tempo reale, un modello per analizzare le prestazioni del kiteboard, e un monosci più robusto ed economico per gli sciatori disabili.

I progetti attingono anche da un'ampia gamma di discipline ingegneristiche, afferma Kim Blair, consulente di STE@M e vicepresidente della società di ingegneria del prodotto Cooper Perkins. Aerodinamica, fattori umani, termodinamica, trasferimento di calore: potresti andare avanti all'infinito, dice.

Blair lavora con studenti e aziende di articoli sportivi per affrontare sfide di ingegneria sportiva. È un ruolo in cui si trova a suo agio: nel 1999 ha fondato un programma simile, Sports Innovation al MIT, che ora sta incorporando in STE@M. In qualità di ingegnere di ricerca presso il Dipartimento di aeronautica e astronautica, ha diretto il programma per 14 anni, durante i quali gli studenti hanno costruito un apparato per misurare le prestazioni di mazze da baseball e guanti e hanno sviluppato un accurato sistema di test della bici che include software e uno stand che riduce al minimo le interferenze con il pilota.

Uno dei progetti che ha ottenuto più trazione è stato un nuovo design per una scarpa da triathlon. Blair, che ha gareggiato in numerosi triathlon e gare Iron Man, ha scoperto che nessuna sneaker sul mercato soddisfaceva tutte le esigenze di un triatleta. I concorrenti devono passare rapidamente dalle scarpe da ciclismo alle scarpe da corsa e in genere idratano più dei maratoneti, aumentando la possibilità di versare acqua durante una corsa. Una sneaker da corsa facile da infilare e che riduce al minimo l'accumulo di umidità darebbe a un triatleta quel vantaggio in più.

Blair ha prima cercato nella squadra di atletica del MIT uno studente interessato e, insieme, lui e Chi-An Wang '01 hanno presentato l'idea alla società di scarpe New Balance. Con il sostegno dell'azienda, nel 2001 il team ha ideato un prototipo per una scarpa da triathlon, che New Balance alla fine ha portato sul mercato. Blair ha indossato le scarpe da ginnastica in competizione per tre stagioni prima che l'azienda smettesse di produrle.

Ha avuto una corsa abbastanza significativa, ricorda. E ciò che sentivamo fosse davvero importante per questa scarpa è che diceva che l'azienda era pronta a provare qualcosa di nuovo.

Vento nelle loro vele
Quella volontà di sperimentare è una qualità che Blair cerca quando si avvicina a potenziali partner STE@M. Più di recente, ha contribuito a facilitare una connessione con la società di outdoor Patagonia.

Tetsuya O'Hara, direttore della ricerca avanzata e sviluppo in Patagonia, ha proposto di tenere un seminario di una settimana per docenti e studenti del MIT a Maui, Hawaii, per conoscere la tecnologia eolica e sperimentare in prima persona gli sport eolici. Mentre Patagonia produce principalmente abbigliamento outdoor, O'Hara afferma che l'azienda sta realizzando una tavola da surf e altri prodotti correlati al surf.

O'Hara afferma che il MIT potrebbe essere in grado di offrire alla Patagonia nuove prospettive sulla tecnologia sportiva. La facoltà e gli studenti [STE@M] capiscono lo sport, quindi hanno un occhio da parte dell'utente e possiamo usare lo stesso linguaggio di uno sportivo, dice.

Non sorprende che Hosoi sia stato inondato di richieste di unirsi al viaggio. Alla fine ha ristretto il campo ai candidati che hanno dimostrato due qualità: un portafoglio tecnico diversificato e l'amore per lo sport.

Cercavo una sovrapposizione di queste due passioni, dice. Guidando quella bici in discesa e andando sul manubrio, sapevo esattamente di cosa avevo bisogno. Quindi devi essere parte di quella cultura se vuoi innovare all'interno di quella cultura.

Nel gennaio 2013, Hosoi si è diretto alle Hawaii con il professore di ingegneria meccanica Alex Slocum '82, SM '83, PhD '85 e 15 studenti, inclusi alcuni atleti universitari che avrebbero dovuto saltare l'allenamento di squadra quella settimana. Per ottenere il permesso di partire per il viaggio, Hosoi e Slocum hanno stretto un accordo con l'allenatore di atletica del MIT: Slocum, lui stesso un triatleta, ha promesso di correre con gli studenti alle 6 del mattino tutti i giorni.

Una volta a Maui, il gruppo si è fermato negli studi dei windsurfisti professionisti Robby Naish e Francisco Goya, dove hanno osservato il processo di fabbricazione manuale delle tavole da kite. Per dare agli studenti un'esperienza pratica, Patagonia ha organizzato per loro lezioni ogni mattina di uno sport del vento come surf, paddleboarding, kiteboarding o windsurf.

Alcuni, come lo studente laureato Pawel Zimoch, non avevano mai preso parte a tali sport prima. Zimoch era particolarmente attratto dal kiteboarding, in cui un surfista, cavalcando una tavola mentre si tiene su un grande aquilone, cattura una raffica di vento per librarsi fino a 40 piedi sopra la superficie dell'acqua. Il kiteboarding è uno sport relativamente nuovo e i progetti sia per l'aquilone che per la tavola si sono rapidamente evoluti man mano che i partecipanti, armeggiando nei loro laboratori, hanno escogitato configurazioni che consentono loro di andare più velocemente e più in alto. Ma questi miglioramenti sono rallentati negli ultimi anni.

Gli appassionati basavano le loro innovazioni sulla loro intuizione ed esperienza, afferma Zimoch. Ad un certo punto… ciò che diventa importante è la comprensione dei principi fisici.

Come Hosoi aveva scoperto studiando le bici da downhill, Zimoch si rese conto che non era chiaro cosa rendesse una tavola da kite migliore di un'altra. Dopo essere tornato sulla terraferma, lui e alcuni altri studenti hanno iniziato a testare le prestazioni degli aquiloni nella galleria del vento del MIT. Sebbene abbiano trovato difficile ottenere misurazioni significative della resistenza di un aquilone in varie condizioni, sperano anche di misurare le prestazioni delle tavole nel serbatoio di traino del MIT.

Zimoch sta anche sviluppando un modello computazionale di base che i progettisti possono utilizzare per analizzare come un aquilone e una tavola, date determinate dimensioni e caratteristiche, voleranno in varie condizioni di vento. Dice che il modello può aiutare i designer a creare tavole da kite che sono più adatte ai venti bassi. Ciò potrebbe aprire lo sport a nuove spiagge e ampliare il mercato oltre le poche località con i venti forti e costanti che il kiteboarding richiede oggi.

Sebbene la comprensione della fisica del vento fosse essenziale per costruire il modello del kiteboarding, anche la familiarità con la sensazione del kiteboarding si è rivelata fondamentale.

Il tocco fisico mi ha permesso di ragionarci sopra in modo significativo, dice Zimoch, che ormai è andato a fare kiteboard con altri membri del team lungo le spiagge di Nahant, nel Massachusetts. Posso sedermi alla mia scrivania e ripensare a come ci si sente quando l'aquilone ti tira su e come reagisce. È molto utile.

Pescato del giorno
Non molto tempo dopo il ritorno del gruppo dalle Hawaii, Hosoi ricevette un'intrigante proposta da Okuma, un produttore di attrezzi da pesca ad alte prestazioni. L'azienda aveva sentito parlare di STE@M tramite Patagonia e voleva lavorare con il MIT per progettare mulinelli migliori per la pesca d'altura. Un giorno di settembre ha noleggiato una barca al largo di Cape Cod e ha ospitato Hosoi, altri tre membri della facoltà e Blair. Abbiamo tutti pescato, dice Hosoi. Sono andato a casa e ho fritto un mucchio di pesce azzurro, e ci hanno lasciato un borsone pieno di bobine.

Amos Winter, SM '05, PhD '11, assistente professore di ingegneria meccanica, era andato a pescare da bambino ma da allora non aveva avuto molta esperienza. Ma il viaggio in barca lo ha fatto riflettere e ha portato a casa la borsa di bobine per un'ispezione più attenta. Mentre giocava, ne ha accidentalmente fatto cadere uno, rompendo l'elegante design in pezzi. Sempre l'ingegnere, ha colto l'occasione per smontare completamente la bobina per capire come funzionava. Quindi ha rapidamente redatto una revisione del design per l'azienda. Scoprendo che il carico su alcune delle parti pressofuse rendeva il mulinello suscettibile alla rottura, ha suggerito modifiche che potrebbero renderlo più forte e più flessibile, come la sostituzione di alcune di quelle parti con plastica. Ha anche consigliato un modo per irrigidire lo spinner (che avvolge la linea) cambiando la sua geometria.

Ho continuato a parlare con loro e abbiamo messo insieme un progetto di consulenza, che penso sia un buon primo appuntamento, dice Winter.

Una delle sfide che intende affrontare è la corrosione. La pesca d'altura comporta l'esposizione a condizioni meteorologiche avverse e acqua salata, che possono intasare e corrodere un mulinello. L'attrezzatura può anche rompersi a causa del calore generato tirando, ad esempio, un tonno da 400 libbre. Winter lavorerà con l'azienda per progettare un mulinello più resistente alla corrosione che trasporta carichi più facilmente, il che significa che un pescatore avrebbe bisogno di meno forza per portare una cattura.

Ascesa di un design in discesa
Mentre la maggior parte degli studenti impara STE@M attraverso i loro professori o compagni di classe, la giovane Valerie Andersen ha scoperto il programma attraverso i suoi nonni. Andersen, che praticamente è cresciuto sugli sci, è un corridore alpino nella squadra di sci del MIT. I suoi nonni le hanno inviato per posta un articolo sulla Turtle Ridge Foundation, un'organizzazione no-profit fondata dalla medaglia d'oro olimpica Bode Miller. L'organizzazione stava sviluppando una nuova versione del monosci utilizzato dai disabili: un singolo sci con un seggiolino attaccato. La fondazione intendeva progettare un modello che funzionasse meglio e costasse meno dei modelli esistenti.

Cameron Shaw-Doran testa il nuovo design del monosci che i ricercatori del MIT stanno sviluppando attraverso STE@M.

L'articolo menzionava un ricercatore del MIT che ha collaborato alla progettazione: Karl Iagnemma, SM '97, PhD '01, ricercatore principale nel Laboratorio per la produzione e la produttività e membro di STE@M. Andersen ha subito cercato Iagnemma e si è unito alla squadra.

Sebbene Andersen si fosse allenata brevemente insieme alla squadra di sci paralimpica degli Stati Uniti al secondo anno, non aveva mai usato un monosci e non sarebbe stata in grado di dire se una modifica al design avesse causato un miglioramento misurabile delle prestazioni. Quel prezioso feedback è arrivato da Cameron Shaw-Doran, direttore della ricerca e sviluppo presso la fondazione e uno sciatore adattivo competitivo. Nel 1997, Shaw-Doran, che sciava dall'età di due anni, ebbe un incidente d'auto che lo paralizzò dal petto in giù. Miller, un amico di lunga data, lo ha aiutato durante la sua guarigione, e Shaw-Doran alla fine è tornato a sciare, esplorando i vari monosci sul mercato.

L'ostacolo principale nella maggior parte dei progetti, ha scoperto Shaw-Doran, era una sospensione inadeguata, che lo faceva rimbalzare troppo mentre correva lungo un sentiero. Se potessi trovare qualcuno per progettare uno shock che può fare ciò che le ginocchia di Bode Miller possono fare, sarei un multimiliardario, scherza.

Lui e Iagnemma sperano di integrare un sistema di sospensione migliorato nel loro design del monosci. Finora, il prototipo è più leggero di altri modelli commerciali e la sua pedana leggermente spostata riduce la possibilità che la punta dello sci colpisca una roccia.

Shaw-Doran ha testato il nuovo sci sul Monte Hood in Oregon e afferma di essersi sentito molto legato ad esso. Posso solo muovermi dal petto in su. Se uno di questi movimenti si perde nel trasferimento allo sci, sto perdendo energia, dice. Quindi è stata una sensazione incredibilmente bella.

A dicembre, Shaw-Doran ha portato il monosci in Colorado, dove ha gareggiato per un posto nella squadra nazionale di sci alpino adattivo degli Stati Uniti e nella squadra paralimpica di sci alpino. Dice che lavorare con il MIT ha anche suscitato un interesse per l'ingegneria.

Lavorare con alluminio, acciaio e titanio e capire come l'alluminio morbido viene confrontato con l'acciaio e la quantità di vibrazioni trasferite attraverso di esso, mi piacerebbe saperne di più, dice.

Più raggi per il mozzo
Hosoi spera che STE@M farà del MIT una risorsa per l'innovazione nel settore dell'atletica. Sta cercando di aggiungere più raggi all'hub di STE@M ed è in trattative con Nike e Red Bull sulle partnership. Dopotutto, più partner del settore potrebbero avvantaggiare gli studenti che desiderano intraprendere una carriera nella tecnologia sportiva.

Alla fine, dice Hosoi, l'obiettivo del programma è aiutare gli studenti a incanalare le loro passioni.

Stiamo mostrando alle persone i modi in cui possono applicare la loro esperienza tecnica a cose di cui sono davvero entusiasti, dice. Voglio che quel tipo di energia permei STE@M.

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