レゴからレーザーまで: 子どもたちは最高にクールなものを発明する

Jul 28, 2023

政治家や専門家はアメリカの崩壊しつつあるインフラについて語ります。 しかし、科学的思考を持つオハイオ州の人々のチームは、何かをしたいと考えていました。

これはプロトタイプです。レゴの要素とレーザー センサーは、倉庫の屋根の未来を示しています... [+] 自動化するファースト レゴ リーグ チャレンジの参加者 8 人が思い描いた安全監視。

研究幹部らは2019年に州全域と故郷のオハイオ州ダブリンを地元当局者らと訪問した。 彼らは建設専門家と協議し、建築家たちにインタビューし、釘を探すのに集中力を発揮しました。

彼らはすぐに、解決策を求めている大きな問題を発見しました。

毎年、北米全土で、倉庫や倉庫などの平らな屋根約 4,000 か所が雪の重みで陥没します。 研究チームは、光ファイバーレーザーセンサーを使用した自動早期検出システムを考案し、プロトタイプを構築しました。

7年生と8年生までに。 レゴを使って。

「私たちの研究では、陸屋根の崩壊が現実世界の問題であることが判明しました」とチームリーダーのマルコム・マスリ君（13歳）は語った。 「独自のソリューションが必要でした。」

野心的な若者たちの協力によってこの作品が登場したのは、印象的であることは言うまでもなく、確かにユニークであり、重要であると考えることができます。

多くの管轄区域では、より重い積雪に対応するために陸屋根の建築基準が改正されています。 しかし、多くの規定は変更されておらず、数え切れないほどの古い屋根が脆弱なままです。 これらには、その場限りの、信頼性が低く、高価で危険なシャベルベースのソリューションが必要です。 さらに懸念されるのは、倉庫火災の場合、平らな屋根は通常数分以内に消防士にとって危険な状態になることです。

マスリ氏は、ウィラード グリゼル中学校のクラスメート数名とともに、オープントラスの梁がわずかでも曲がり始めるとそれを検出できる、特許出願中の屋根評価ひずみツール (REST) システムを作成しました。 自分たちを「8 to Automate」と呼び、レゴで作ったタコのマスコット「オーチョ」をペットに迎えたオハイオ州ダブリンの子供たちは、総参加者数 1,000 人以上の中から準決勝に進出した 20 チームの 1 つとして、第 10 回年次大会で 6 月に認められました。ディズニーが贈呈した最初のレゴ リーグ チャレンジのグローバル イノベーション アワード。 8 to Automate チームは 2 位となり、2 位のうちの 1 人となりました。

スペインのカナリア諸島出身の優勝チーム Aldeatrón Robotix は、環境に優しい、温度管理されたビルディング ブロックを設計しました。 もう 1 つの次点チーム、QuickBots はオハイオ州デイトンのチームで、熱い遊具を熱傷させるためのサーモクロミック冷却剤を発明しました。

一部はロボット工学コミュニティであり、一部は STEM (科学、技術、工学、数学) の人材パイプラインを供給する非営利団体 FIRST (科学と技術のインスピレーションと認識のために) であり、発明家で起業家のディーン カーメンの発案です。

彼は、いわゆる才能のある生徒だけでなく、幼稚園から高校までの生徒たちに、STEM 教育を求め、これらの分野でのキャリアを追求するよう奨励し、インスピレーションを与えるためにこのプログラムを始めました。 いくつかの実践的な FIRST プログラムの 1 つである FIRST LEGO League (LEGO Education が創設パートナーです) には、110 か国以上の 50 万人以上の学生が参加しています。

レゴ デュプロ ブロックごとに、エンジニアリングの基礎が構築されます。 最終的に、プログラム参加者はロボット工学などの関連分野に進出します。 生徒は就学前からFIRSTを開始し、徐々にスキルと競技レベルを上げていきます。 マスリは 9 歳から始めました。彼のチームメイトであるアルウェン チャン、サスヴィク アリプラム、サイ リシク リンガム、リアム スウェイン、マクスウェル 今村、アーニャ チャンは、新人とファースト レゴ リーグのベテランの組み合わせでした。 マスリさんの父親、ファリドさんは機械エンジニアで、母親のジュディさん同様、30万人のファーストボランティアの一人です。 2 人とも 8 to Automate チームのメンターとして時間を割いています。

州年金基金のポートフォリオマネージャーとして世界株式を研究しているジュディ・マスリ氏は、「FIRST LEGO Leagueの過去4年間で、学生たちが綿密な研究スキルを身につけているのを見るのは素晴らしいことだった」と語った。

「問題を深く研究すると、批判的思考が養われます」と彼女は言いました。 「生徒たちのリーダーシップの感覚、自信、コミュニケーション能力はすべて非常に成長しました。これらのスキルは教育やキャリアに引き継がれるでしょう。」

高校 3 年生の Kunaal Gudavali 氏も、8 to Automate チームにアドバイスをしました。 多くのメンターと同様に、彼は最初のレゴ リーグの卒業生です。

間違いなく、長老たちは重要なサポートビームを提供してプロジェクトを強化しました。 しかし、子供たちは重い荷物を背負っていました。 材料を所定のサイズに切断するための一部の電動ノコギリと 3D プリンタのセットアップを除いて、プロトタイプの作業はすべて学生によって行われました。 また、レゴの要素は楽しみのため、また長年にわたるレゴの形成的影響への敬意としてだけでなく、モデル倉庫をより完全にアニメーション化する方法としても組み込まれていることも強調しておく必要があります。 一方、他の要素に関しては、遊び心はまったくありませんでした。切断して塗装した木製の柱が、3D プリントされたサポートを使用してベースに固定されました。 PVC 防水膜で裏打ちされた透明なポリカーボネート シートが屋根として上部に適用され、トラスの真上からの眺めが可能になりました。 光ファイバーレーザー光源は、実際のシステムがどのように実装されるかを実証しました。

1989年に設立されたFIRST組織について、カーメン氏はこう語った。「子供たちは、プログラムや自分自身のことも何も知らずに入学することがよくありますが、彼らは1シーズンを終えても、ビジョン、自信、感覚を持って去っていきます。自分たちの未来を創っていくのです。」

2020 年の真夏、世界中でさまざまなことが起きている中、不均一に分布した積雪荷重の影響を受けやすい陸屋根の普及に注目している人はほとんどいません。

しかし、子供たちが今後どのように学習するかについて、世界中で改めて注目が集まっています。 FIRSTのような競争力のある実践的なプログラムは、従来は必ずしも教えられなかった種類のスキルを生徒が学ぶための楽しくてエキサイティングな方法だと教育者らは言う。

「FIRST LEGO League」と彼ら自身の子供らしい驚きに促されて、学生たちは、保険会社、公安当局、建設業者が何十年も前から知っていたこと、つまり、どれだけの安価に作られた平屋根が危険にさらされているかを理解することができました。 まだ十分にわかっていない – 問題に対処する最善の方法。

倉庫、量販店だけでなく、駐車場、市民アリーナ、教会、学校、医療施設など、アメリカの建物を覆う屋根は年々老朽化し、存続不可能になっています。 ニューヨーク州チークトワーガのストリップ モールの駐車場にある高さ 8 フィートの雪の吹きだまりのように、素材の磨耗は長年にわたって徐々に蓄積される可能性があります。

光ファイバーセンシング技術は、何世代にもわたってひずみを監視するために使用されてきましたが、8 to Automate チームは画期的なものを作成することを決意しました。 このシステムは、屋根全体（重要と思われる散在箇所のサンプルだけでなく）にわたって継続的に最小の荷重を検出でき、重要なことに、煙警報器を設置するのと同じように、どの建物でも低コストで迅速に導入できます。 (大規模な改造作業とは対照的に)。 このため、彼らはファイバー ブラッグ グレーティング (FBG) ベースのセンサー、つまり光が通過するミラーとして機能する微細な格子の研究につながりました。 ファイバーに歪みが生じると、各ミラーが光の一部を反射し、コンピューター システムに情報を送り返します。コンピューター システムは、オープントラス ビームのわずかな妥協を示す微小な変化を変換して解釈します。

建物の所有者は、除雪ソリューションを追求する時期だけでなく、どの分野に重点を置くべきかについて正確に警告を受けることができます。

崩壊による物的損害に加えて、滑ったり転んだりして人が負傷するという追加の被害も日常的に発生しています。 さらに、シャベルが多すぎる、またはシャベルが最適に行われていないと、実際に待ち構えている構造事故を悪化させる可能性があることが判明しました。シャベルで削ることで重要な屋根の防水膜が損傷し、危険な陥没状態が発生する可能性があります。

電気工学・光ファイバー教授のジム・ブレーク氏は、光ファイバーセンサーは、軽量で消費電力が少なく、電磁干渉に強く、感度が高く、設置が簡単なため、従来の電気ひずみゲージやロードセルよりも優れていると述べた。テキサス A&M 大学の博士号を取得し、グリッド エボリューション テクノロジーズの社長でもあります。

ファリド・マスリ氏によると、少なくとも1人の屋根管理専門家が、信頼できる屋上の光ファイバーレーザー光負荷監視システムは存在しないとチームに伝えたという。

(左から右へ) FIRST LEAGO リーグ チャレンジ チームの Sathvik Allipuram 氏と Maxwell Imamura 氏、8 対... -屋根構造。

オハイオ州立大学のエンジニアの協力を得てプロトタイプをテストした後、設計には最後の調整が必要でした。ひずみセンサーはポリイミドテープを使用して屋根全体に貼り付けられ、マイクロコントローラーは屋根の中央の下に埋め込まれます。

新たに発明されたシステムは確かに長年の問題の解決策となる可能性がある、とOSUの土木・環境・測地工学教授であり、意見を提供してくれたアンソニー・マサリ氏は語った。

「建築物をより安全にするための基準は改善されているが、依然として安全性とコストとの間の妥協点である」とマッサリ氏は述べた。

米国土木学会 (ASCE) の基準は、より重い雪の荷重に対応するために更新されましたが、すべての建物がこの新しい基準を使用しているわけではありません。 専門家らによると、雪の重さは立方フィートで最大21ポンドに達し、漂流や融解によって密度や厚さにばらつきがあるため、目視検査だけでは効果がないとのこと。

さまざまな業界団体の推計によると、屋根の崩壊に関連した保険金請求額は毎年約 40 億ドルにのぼります。 これらの事故の少なくとも 4 分の 1、おそらく 4 分の 3 は、雪、または雪、風、雨の組み合わせが原因です。 一般的に、ほとんどの主張は屋根の崩壊に関連しています。 ただし、屋根の修理や事業収入の損失も含まれます。

8 to Automate の学生エンジニアは調査の中で、2015 年にオハイオ州グローブポート近くで倉庫の屋根が崩壊したことを知りました。 当時、屋内には約70人の従業員がいた。 幸いなことに、重傷を負った人はいませんでした。 しかし、数百万ドル相当の物品は雪と瓦礫に埋もれ、引き揚げることはできなかった。

人命の損失が発生しました。 2006 年 2 月、ポーランドのカトヴィツェ市にある展示ホールの屋根が大雪で崩壊し、60 名以上が死亡しました。

スポーツスタジアムでは長年にわたり、注目に値するが幸いにも致命的ではない陥没がいくつか発生している。

1978 年 1 月、10 日間続いた吹雪の後、コネチカット大学バスケットボールの試合のわずか 6 時間後にハートフォード市民センターの屋根が崩壊しました。 運命のいたずらで、本来なら屋内にいるはずのクルー（コートをNHLリンクに変える）は、年に一度の3日間連続のフープ休憩の真っ最中だった。

ミネソタ・ツインズとバイキングスの本拠地であるヒューバート・H・ハンフリー・メトロドームは、6年前の取り壊しに先立って、テフロン加工されたグラスファイバー/生地で作られたインフレータブルルーフの一連の崩壊に耐え、その中にはCBSが撮影した2010年の崩壊も含まれていた撮影隊。

同年、ニュージーランドのインバーカーギルにある ILT スタジアム サウスランドでは、大雪により屋根が崩壊しました。 負傷者は出なかったが、この多目的会場は新しい施設が建設されるまでの4年間（ニュージーランドバスケットボールリーグのサウスランドシャークスに代わって）使用できなかった。

冬の嵐が起こりやすい地域の自治体は、地域全体で複数の陥没が発生するなど、恐ろしい状況に耐えており、初期対応に負担がかかっている。

昨年の冬、ミネソタ州とノースダコタ州の全域で、雪、みぞれ、雨、風といった邪悪な母なる自然がもたらした危険なほどの湿った大雪が発生し、いくつかの屋根の崩壊につながりました。 ミネソタ州ムーアヘッドにある聖フランシス・デ・サレレ・カトリック教会の屋根が落ちたのは、数百人が礼拝に参加していたであろう日曜日の朝、ありがたいことに中止になったからだ。

2014 年のニューヨーク州バッファローでは、感謝祭の週末に発生した異常な嵐により、（一部の地域では 8 フィートに相当する）雪が降り、市全体で少なくとも 12 件の崩壊が発生しました。 バッファローにとってさえ異常な状況は、少なくとも1つの老人ホームといくつかのトレーラーコミュニティからの避難を引き起こした。 その後、天候が暖かくなり、湿った重い雪の負荷が発生し、状況が悪化しました。 最悪の事態の懸念は現実にはならなかったが、住民と事業主は恐怖の数日間を耐えた。

住宅や事業所、特に降雪地帯では、規制が厳しく、倉庫の規制が緩いのとは対照的です。 それは、コストと安全性の関係において、人命が危険にさらされる可能性は低いと推定されるからです。