設計による問題解決者

繋がれていないロボビー

Robobee への変更 (翼の追加、アクチュエーターと伝達比の改良など) により車両の効率が向上し、太陽電池と電子パネルの追加が可能になりました。 この Robobee は、電源コードなしで飛行する初めての機体であり、持続飛行を達成するための最も軽い、紐なしの乗り物です。 (画像提供：ハーバード大学マイクロロボティクス研究所/ハーバード大学 SEAS)

キャンパス内のネズミ、破壊的な騒音公害、多額の費用がかかる深海研究には、工学設計アプローチを使用すればすべて解決できるという点を除けば、何の共通点もないようです。

ハーバード大学ジョン A. ポールソン スクール オブ エンジニアリングおよび応用科学コースのエンジニアリング問題解決および設計プロジェクト (ES 96) の学生はまさにそれを行い、実際の顧客と協力してエンジニアリングのノウハウを適用し、実用的なソリューションを考え出しました。 。

このコースでは、学生が課題を幅広いシステムとして分析し、社会的、経済的、倫理的、技術的、持続可能な要素を特定することが求められます。 システムのフィードバックと強制ループを調査して、問題の根本原因を特定します。 応用物理学の上級指導医であるケリー・ミラー氏、工学部の客員准教授であるナビル・ハーフォシュ氏とこのコースを共同指導した教育研究部長のファワズ・ハバル氏は、課題を囲む境界線を満たすさまざまなソリューションを調査および設計する必要があると説明しました。科学、ピーター・スターク、工学科学講師。

「このようなユニークで徹底的な経験により、学生たちは将来の課題に取り組み、リーダーシップを発揮して重要な人類の問題に取り組み、場合によっては解決するための準備が整います」とハバル氏は述べた。 「今年、学生たちは 3 つの異なる課題の根本原因を見つける素晴らしい仕事をし、一緒にエキサイティングな解決策を見つけました。クライアントはその解決策に興奮し、そのいくつかを実装する予定です。学生たちにとってはエキサイティングな経験であり、企業にとってもやりがいのあるものでした」クライアントにとっても、生徒たちの成長と成熟を見届けた講師にとってもやりがいのあることです。」

騒音公害への挑戦

ハーバード大学ダイニング サービス (HUDS) の荷積みドックは、毎日 25,000 食の食事を提供するために使用される食品の積み下ろしや受け取りのためにトラックが絶えず出入りする混雑した場所です。 活動が非常に多く、その多くが早朝に行われるため、積み込み場に隣接する家に住む学生たち（エリオット、カークランド、ウィンスロップ、ローウェル）は、勉強や睡眠を妨げる騒音について懸念を表明している。 ES 96 のセクションの 1 つは HUDS と連携し、運用に悪影響を与えることなくノイズを低減する方法を特定しました。

学生たちは荷積みドックの交通量と騒音レベルを調査した後、短期および長期の解決策をいくつか考え出しました。 長期的には、家の更新プロジェクトと併せて、エリオットとカークランドの家のレイアウトを変更し、荷積みドックに面する寝室の窓を減らすことを提案しました。 また、二重窓を設置した後でも雨よけ窓を設置し続けることも提案した。 学生らは、雨窓と二重窓の間に 5 インチの隙間を維持すると、雨窓 1 枚あたり 200 ドルの追加費用で騒音が 60% 近く減少することを発見しました。

短期的には、学生たちはトラックの荷台のフラップをコーティングして、荷積みドックのデッキにぶつかるときの騒音を減らすことを提案しました。 フラップの端に発泡ゴムのコーティングを追加し、デッキにシリコンを注いで軟着陸スペースを提供することで、学生たちは騒音レベルを 100 デシベルから 86 デシベルに下げることができました。 彼らはまた、トラックのバックアラームの上に設置する吸音フォームと高密度サウンドパネルを備えた耐候性ボックスを開発し、騒音レベルを 102 デシベルから 88 デシベルに低減しました。

「私たちが直面した最大の課題は、プロジェクトの過程で効率的かつ効果的に作業する方法を学ぶことでした」と生物工学の集中者である SB '20 のジェシカ・クラスティは語った。 私たちは 11 人のグループで、1 つの共通の目標に向かって協力していましたが、週ごとに変わる変動的なサブグループがありました。 これにより、当初は調整とコミュニケーションに問題が生じましたが、長期的にはそれが私たちを強くしてくれたと信じています。 このプロジェクトで最もやりがいを感じたのは、最終的に私たちが実際にクライアントを支援し、私たちが提案した変更がすぐに有効になったことを確認できたことです。」

ハーバード大学における害虫問題の封じ込め

ハーバード大学の環境衛生安全局には、キャンパス内の害虫に関する報告が毎週何百件も届くが、そのほとんどは学生がゴミ箱をあさったり、食べ物を求めて建物の周りを飛び回ったりしているのを発見したネズミやネズミである。 キャンパス内のネズミによってもたらされる衛生上および風評上の問題は深刻な懸念事項であるが、毒を含む人工岩、ビデオ監視、害虫よけのゴミ箱などの現在の取り組みは問題のペースに追いついていない。 ES 96 のセクションの 1 つは、ハーバード大学の害虫駆除対策の有効性を向上させ、食糧源への害虫のアクセスを減らすことに着手しました。

学生たちは、より堅牢なネズミ捕りを設計し、ハーバード大学の害虫報告データベースを改善することを選択する前に、多くの解決策を研究し、キャンパス内に捕食動物を導入することも（短期間）検討しました。 学生たちはゴミ箱の蓋の下に設置するトラップを開発しました。 缶の蓋を通るパイプは、ネズミに罠への一方通行の入り口を提供します。 密閉された箱に入ると、ティラノサウルス捕獲器がネズミを殺します。 学生たちが開発した磁気機構により、作業員は箱を開けて不運なネズミをゴミ箱に捨て、箱を閉めてボタンを1つ押すだけで罠をリセットできるようになった。

学生たちはまた、EHS が毎日または毎週受け取る害虫報告を統合するための Web アプリを開発することで、この問題に対してデータ主導のアプローチを採用しました。 個人がアプリを使用して害虫の目撃情報を報告すると、その情報が自動的にデータベースに取り込まれ、キャンパス周辺の害虫多発スポットを示す地図に反映されます。 このアプリは、人間の報告からデータを取得するだけでなく、学生が開発した害虫検出装置から情報を受け取るように設計されています。 このデバイスは、赤外線センサーを使用して近くを通過するネズミを検出し、GPS データを使用してアプリのデータベースと地図に位置を自動的に記録し、害虫の報告プロセスを合理化します。

「難しい問題に直面したとき、私の本能は通常、それを解決する方法をすぐに考え始めますが、このクラスがうまくいったことの 1 つは、私にそうしないように強制したことです。私たちは学期の最初の数週間を問題の定義に費やしました。問題を解決するのではなく、」と電気工学の集信者、SB '20のチャーリー・コルト・シモンズ氏は語った。 「最初は、このプロセスに非常にイライラしましたが、すぐに、解決策を考え始める前に、問題自体について学ぶべきことがたくさんあることに気づきました。初めて問題に取り組むときは、時間をかけて、確実に問題を解決することを学びました。解決策に飛びつく前に、私はそれを完全に理解しています。」

インテリジェントに設計された安価な圧力容器

生物進化生物学教授ピーター・ガーギスの研究室では、深海の生物地球化学を研究しており、しばしば海面下 4,000 フィートまでの測定を行っています。 研究所の高感度モニタリング機器はそのような過酷な条件では耐えられないため、機器を安全かつ乾燥した状態に保つためにチタン製の圧力容器を利用していますが、これらの機器の価格は 1 台あたり最大 40,000 ドルに達する可能性があり、チームが新しいセンサーを送るたびにカスタマイズされた容器が必要になります。海の深さまで。 ES 96 の 1 つのセクションでは、研究者がより経済的にデータを取得できるようにすることを目指しました。

学生らは、現在の圧力容器が非常に高価なのは、製造プロセスにカスタムのフライス加工作業が含まれていることが一因であると判断した。 彼らは、チタンの固体ブロックから容器をフライス加工するのではなく、プレハブのチタンチューブストックを使用すると、製造コストを半分に削減できるが、耐久性と安定性の低下につながることを発見しました。 彼らは、一連のチタン製強化リングをチューブに追加することで、製造コストを節約し、製造時間を短縮しながら容器の壁を効果的に厚くすることで、この問題を克服することができました。

学生たちは、圧力容器の設計を合理化するための Web ベースのシステムも開発しました。 ユーザーは、容器のサイズ、ターゲットの深さなどの希望の仕様を入力するだけで、アプリケーションがそれらの仕様に適合する入手可能なすべてのチタンチューブ素材のデータを検索し、関連するサプライヤーと価格をリストしたレポートを作成します。 このソフトウェアは、圧力容器設計に対して応力検証アルゴリズムを実行することでさらに一歩進め、圧力容器が目的の深さで圧力に耐えられるようにするために追加する補強リングの数を自動的に決定します。 次に、システムは設計図面、製造プロセスの説明、およびユーザーマニュアルを作成し、製造会社に直接送信できます。

「このプロジェクトから私が学んだ最も重要な教訓は、自分のチームがいかに重要であるかということでした。これほど多様なスキルや視点を持ちながらも、団結して価値のあるものを作りたいという同じ意欲と意欲を持った人々と働くことが、私にとって大きな違いとなりました。そして私たちのプロジェクトの成功を決定づけたのです」と機械工学の集中者、SB '20のレイニー・ミシェルセン氏は語った。 「このような素晴らしいチームで働くことで得られる充実感、一見別々の思考分野を結びつけることで得られる挑戦と機会、そしてそこから生まれるイノベーションが、このプロジェクトで最もやりがいのある側面でした。」

トピック：学術、環境

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応用物理学上級講師

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