Technischer Nervenkitzel

Auf einem Downhill-Radweg kopfüber über den Lenker zu fahren, würde jeden erschrecken. Aber Anette Peko Hosoi, die mit ihrem Fahrrad durch den Highland Mountain Bike Park in Northfield, New Hampshire, stürzte, gab ihr auch einen Adrenalinschub und schließlich einen Blitz technischer Einsichten: Was braucht es, um ein besseres Fahrrad zu entwickeln?

Kitesurfen

Joshua Slocum ’10, MEng ’11, (links) und Folkers Rojas ’08, SM ’11, (rechts) bekommen Kiteboarding-Unterricht von einem Lehrer am Kanaha Beach in Maui.

Bei ihrem ersten Ausflug in den Park – ein umfunktioniertes Skigebiet, das Biker mit einem Sessellift auf den Gipfel bringt – versuchte Hosoi, eine MIT-Professorin für Maschinenbau, die steilen, mit Granitwänden versehenen Trails auf einem Cross-Country-Bike mit aufregendem schlechte Ergebnisse.



Ich bin an diesem Tag acht Mal über meinen Lenker gefahren, erinnert sie sich. Und ich dachte: ‚Das ist das Größte, was ich je gemacht habe! Stellen Sie sich vor, ich hätte das richtige Fahrrad.“
Geprellt und blutverschmiert ging sie, sobald sie nach Hause zurückkehrte, online, um nach einem Downhill-Bike zu suchen. Was sie fand, waren Designs, die überall auf der Karte zu finden waren: Stoßdämpfer, Vorderradaufhängungssysteme und Lenkmechanismen variierten von Fahrrad zu Fahrrad, und es war nicht klar, wie sich diese Merkmale auf die Leistung auswirkten.

Hosoi unterrichtete damals einen Kurs in Mechanik und Werkstoffen und stellte das Problem ihren Schülern, indem sie sie aufforderte, die mechanischen Belastungen zu analysieren, unter denen sich ein Fahrrad verformen würde. In der Zwischenzeit verbrachte sie ihre Abende damit, freie Körperdiagramme zu zeichnen – grobe Skizzen der Kräfte, die in verschiedenen Szenarien auf ein Fahrrad einwirken.

In lockeren Gesprächen erwähnte Hosoi ihre Diagramme gegenüber anderen MIT-Fakultäten. Sie stellte schnell fest, dass sie nicht die einzige Nervenkitzel-Sucherin war.

Es stellte sich heraus, dass die Hälfte unserer Fakultät heimliche Sportfans sind, sagt sie. Sie machen Baseball-Statistiken oder laufen Triathlons oder sind in der Formel 1 oder im Segeln unterwegs, und viele von ihnen machen diese Diagramme an den Wochenenden in ihrer Garage.

Hosoi legte ihr Fahrradprojekt auf Eis, um sich auf ein größeres Ziel zu konzentrieren: diese sportbegeisterten Ingenieure zu einem Zentrum für Sporttechnologieforschung zu verbinden. Sie stellte sich ein Programm vor, das MIT-Innovatoren mit Sportartikelunternehmen zusammenbringt, die nach neuartigen Produkten suchen.

Im Herbst 2011 haben Hosoi und etwa 25 Fakultätsmitglieder aus verschiedenen Abteilungen offiziell STE@M (Sports Technology and Education at MIT) ins Leben gerufen, ein Programm, das Studenten, Fakultäten, Industriepartner und Sportler zusammenbringt, damit sie gemeinsam an Projekten arbeiten können die Schnittstelle zwischen Sport und Technik. Diese Projekte – die die Form einer Abschlussarbeit, einer Bachelorarbeit, einer Nebentätigkeit eines Professors oder einer Klassenarbeit annehmen können – entwickeln Ideen wie eine App für Fantasy-Football, die Twitter für Live-Updates trollt, ein Modell zur Analyse der Kiteboard-Performance, und ein stärkerer, billigerer Monoski für behinderte Skifahrer.

Die Projekte stammen auch aus einer Vielzahl von Ingenieurdisziplinen, sagt Kim Blair, Berater von STE@M und Vizepräsident des Produktentwicklungsunternehmens Cooper Perkins. Aerodynamik, Human Factors, Thermodynamik, Wärmeübertragung – man könnte so weitermachen, sagt er.

Blair arbeitet mit Studenten und Sportartikelunternehmen zusammen, um Herausforderungen im Bereich Sporttechnik zu meistern. Eine Rolle, in der er sich wohl fühlt: 1999 gründete er ein ähnliches Programm, Sports Innovation am MIT, das er nun in STE@M einbaut. Als Forschungsingenieur in der Abteilung für Luft- und Raumfahrt leitete er das Programm 14 Jahre lang. Während dieser Zeit bauten Studenten ein Gerät zur Messung der Leistung von Baseballschlägern und Handschuhen und entwickelten ein genaues Fahrradtestsystem, das Software und einen Ständer umfasst, der minimiert die Beeinträchtigung des Fahrers.

Eines der Projekte, das am meisten Anklang fand, war ein neues Design für einen Triathlonschuh. Blair, der an zahlreichen Triathlons und Iron Man-Rennen teilgenommen hat, stellte fest, dass kein Sneaker auf dem Markt alle Bedürfnisse eines Triathleten erfüllt. Wettkämpfer müssen schnell von Radschuhen zu Laufschuhen wechseln, und sie hydratisieren normalerweise auch mehr als Marathonläufer, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass während eines Laufs Wasser verschüttet wird. Ein Laufsneaker, der sich leicht anziehen lässt und die Feuchtigkeitsbildung minimiert, würde einem Triathleten das gewisse Extra geben.

Blair suchte zunächst beim MIT-Track-Team nach einem interessierten Studenten, und gemeinsam präsentierten er und Chi-An Wang ’01 die Idee dem Schuhunternehmen New Balance. Mit Unterstützung des Unternehmens entwickelte das Team 2001 einen Prototypen für einen Triathlonschuh, den New Balance schließlich auf den Markt brachte. Blair trug die Sneaker drei Saisons lang im Wettbewerb, bevor das Unternehmen die Produktion einstellte.

Es hatte einen ziemlich bedeutenden Lauf, erinnert er sich. Und was uns an diesem Schuh wirklich wichtig war, ist, dass er sagt, dass das Unternehmen bereit ist, etwas Neues auszuprobieren.

Wind in ihren Segeln
Diese Experimentierfreudigkeit ist eine Qualität, auf die Blair bei der Ansprache potenzieller STE@M-Partner achtet. Zuletzt half er dabei, eine Verbindung zum Outdoor-Unternehmen Patagonia herzustellen.

Tetsuya O’Hara, Direktor für fortgeschrittene Forschung und Entwicklung bei Patagonia, schlug vor, einen einwöchigen Workshop für MIT-Fakultäten und Studenten in Maui, Hawaii, abzuhalten, um mehr über Windtechnologie zu erfahren und Windsportarten aus erster Hand zu erleben. Während Patagonia hauptsächlich Outdoor-Bekleidung herstellt, stellt O’Hara laut O’Hara ein Surfbrett und andere surfbezogene Produkte her.

O’Hara sagt, dass das MIT Patagonia möglicherweise neue Perspektiven auf die Sporttechnologie bieten kann. [STE@M] Dozenten und Studenten verstehen Sport, also haben sie ein Auge auf den Benutzer und wir können die gleiche Sprache wie ein Sportler verwenden, sagt er.

Es überrascht nicht, dass Hosoi mit Anfragen überhäuft wurde, an der Reise teilzunehmen. Schließlich grenzte sie das Feld auf Bewerber ein, die zwei Qualitäten zeigten: ein vielfältiges Ingenieursportfolio und eine Liebe zum Sport.

Ich habe nach einer Überschneidung dieser beiden Leidenschaften gesucht, sagt sie. Als ich dieses Rad bergab fuhr und über den Lenker ging, wusste ich genau, was ich brauchte. Sie müssen also Teil dieser Kultur sein, wenn Sie innerhalb dieser Kultur innovativ sein wollen.

Im Januar 2013 reiste Hosoi mit dem Maschinenbauprofessor Alex Slocum '82, SM '83, PhD '85 und 15 Studenten nach Hawaii, darunter einige Uni-Athleten, die in dieser Woche das Teamtraining verpassen mussten. Um die Erlaubnis für die Reise zu bekommen, einigten sich Hosoi und Slocum mit dem Bahntrainer des MIT: Slocum, selbst Triathlet, versprach, jeden Tag um 6 Uhr morgens mit den Schülern zu laufen.

Auf Maui angekommen, schaute die Gruppe in den Studios der professionellen Windsurfer Robby Naish und Francisco Goya vorbei, wo sie den Herstellungsprozess von Kiteboards beobachteten. Um den Schülern praktische Erfahrungen zu vermitteln, hat Patagonia für sie jeden Morgen Unterricht in einer Windsportart wie Surfen, Paddleboarding, Kiteboarding oder Windsurfen arrangiert.

Manche, wie Doktorand Pawel Zimoch, hatten noch nie zuvor an solchen Sportarten teilgenommen. Zimoch war besonders vom Kiteboarding angezogen, bei dem ein Surfer, der auf einem Board fährt, während er sich an einem großen Drachen festhält, einen Windstoß einfängt, um bis zu 12 Meter über der Wasseroberfläche zu schweben. Kiteboarding ist eine relativ neue Sportart, und die Designs sowohl für den Kite als auch für das Board haben sich schnell weiterentwickelt, da die Teilnehmer, die in ihren Workshops tüftelten, Konfigurationen gefunden haben, die es ihnen ermöglichen, schneller und höher zu kommen. Aber diese Verbesserungen haben sich in den letzten Jahren verlangsamt.

Enthusiasten gründeten ihre Innovationen auf ihrer Intuition und ihren Erfahrungen, sagt Zimoch. Irgendwann … wird es wichtig, die physikalischen Prinzipien zu verstehen.

Wie Hosoi beim Studium von Downhill-Bikes festgestellt hatte, stellte Zimoch fest, dass nicht klar war, was ein Kiteboard besser als ein anderes machte. Nach seiner Rückkehr auf das Festland begannen er und einige andere Studenten, die Leistung von Drachen im Windkanal des MIT zu testen. Obwohl es schwierig war, aussagekräftige Messungen des Widerstands eines Drachens unter verschiedenen Bedingungen zu erhalten, hoffen sie auch, die Leistung von Boards im Schlepptank des MIT zu messen.

Zimoch entwickelt auch ein grundlegendes Computermodell, mit dem Designer analysieren können, wie ein Kite und ein Board bei bestimmten Abmessungen und Eigenschaften bei verschiedenen Windbedingungen fliegen. Er sagt, dass das Modell Designern helfen kann, Kiteboards zu bauen, die besser für schwache Winde geeignet sind. Das könnte den Sport für neue Strände öffnen und den Markt über die wenigen Orte mit den starken, stetigen Winden hinaus erweitern, die das Kiteboarding heute erfordert.

Während das Verständnis der Windphysik für den Bau des Kiteboarding-Modells unerlässlich war, erwies sich auch die Vertrautheit mit dem Gefühl des Kitesurfens als entscheidend.

Die körperliche Berührung hat es mir ermöglicht, sinnvoll darüber nachzudenken, sagt Zimoch, der inzwischen mit anderen Teammitgliedern an den Stränden von Nahant, Massachusetts, Kitesurfen gegangen ist. Ich kann an meinem Schreibtisch sitzen und daran zurückdenken, wie es sich anfühlt, wenn der Drachen dich überzieht und wie er reagiert. Das ist sehr hilfreich.

Fang des Tages
Kurz nachdem die Gruppe aus Hawaii zurückgekehrt war, erhielt Hosoi ein faszinierendes Angebot von Okuma, einem Hersteller von Hochleistungs-Angelausrüstung. Das Unternehmen hatte durch Patagonia von STE@M gehört und wollte mit MIT zusammenarbeiten, um bessere Rollen für das Hochseefischen zu entwickeln. Eines Tages im September charterte es ein Boot vor der Küste von Cape Cod und beherbergte Hosoi, drei weitere Fakultätsmitglieder und Blair. Wir haben alle Fische gefangen, sagt Hosoi. Ich ging nach Hause und frittierte ein paar Blaufische, und sie hinterließen uns einen Seesack voller Rollen.

Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, Assistenzprofessor für Maschinenbau, war als Kind angeln gegangen, hatte aber seitdem nicht mehr viel Erfahrung. Aber die Bootsfahrt brachte ihn zum Nachdenken, und er nahm die Tüte mit den Rollen zur genaueren Untersuchung mit nach Hause. Beim Herumspielen ließ er versehentlich einen fallen und zerbrach das schlanke Design in Stücke. Als Ingenieur nutzte er die Gelegenheit, die Rolle vollständig zu zerlegen, um zu verstehen, wie sie funktioniert. Dann erstellte er schnell ein Design Review für das Unternehmen. Als er feststellte, dass die Belastung einiger Druckgussteile die Rolle anfällig für Brüche machte, schlug er Änderungen vor, die sie stärker und biegsamer machen könnten, z. B. das Ersetzen einiger dieser Teile durch Kunststoff. Er empfahl auch eine Möglichkeit, den Spinner (der die Schnur einrollt) durch Ändern seiner Geometrie zu versteifen.

Ich habe weiter mit ihnen gesprochen und wir haben ein Beratungsprojekt zusammengestellt, was meiner Meinung nach ein ziemlich gutes erstes Date ist, sagt Winter.

Eine der Herausforderungen, denen er sich stellen will, ist Korrosion. Beim Hochseefischen ist man rauem Wetter und Salzwasser ausgesetzt, das eine Rolle verstopfen und korrodieren kann. Geräte können auch durch die Hitze, die beispielsweise beim Einziehen eines 400-Pfund-Thunfischs entsteht, kaputt gehen. Winter wird mit dem Unternehmen zusammenarbeiten, um eine korrosionsbeständigere Rolle zu entwickeln, die Lasten leichter trägt – was bedeutet, dass ein Angler weniger Kraft braucht, um einen Fang einzubringen.

Aufstieg eines Downhill-Designs
Während die meisten Studenten durch ihre Professoren oder Kommilitonen von STE@M erfahren, hat Junior Valerie Andersen durch ihre Großeltern von dem Programm erfahren. Andersen, praktisch auf Skiern aufgewachsen, ist Alpin-Rennfahrer im MIT-Skiteam. Ihre Großeltern schickten ihr einen Nachrichtenartikel über die Turtle Ridge Foundation, eine gemeinnützige Organisation, die vom Olympiasieger Bode Miller gegründet wurde. Die Organisation entwickelte eine neue Version des Monoskis, die von Behinderten verwendet wird – ein einzelner Ski mit einem kleinen daran befestigten Sitz. Die Stiftung beabsichtigte, ein Modell zu entwickeln, das eine bessere Leistung und weniger Kosten als bestehende Modelle bietet.

Monoski-Test

Cameron Shaw-Doran testet das neue Monoski-Design, das Forscher des MIT über STE@M entwickeln.

Der Artikel erwähnte einen MIT-Forscher, der an dem Design mitarbeitete: Karl Iagnemma, SM ’97, PhD ’01, leitender Wissenschaftler im Labor für Fertigung und Produktivität und Mitglied von STE@M. Andersen suchte schnell nach Iagnemma und trat dem Team bei.

Obwohl Andersen im zweiten Jahr kurz neben dem paralympischen Skiteam der USA trainiert hatte, hatte sie noch nie einen Monoski benutzt und hätte nicht sagen können, ob eine Designoptimierung zu einer messbaren Leistungssteigerung führte. Dieses wertvolle Feedback kam von Cameron Shaw-Doran, Direktor für Forschung und Entwicklung bei der Stiftung und ein wettbewerbsfähiger, adaptiver Skifahrer. 1997 hatte Shaw-Doran, der seit seinem zweiten Lebensjahr Skifahrer war, einen Autounfall, der ihn von der Brust abwärts lähmte. Miller, ein lebenslanger Freund, half ihm bei seiner Genesung und Shaw-Doran kehrte schließlich zum Skifahren zurück und erkundete die verschiedenen Monoskis auf dem Markt.

Das Haupthindernis in den meisten Designs, fand Shaw-Doran, war eine unzureichende Federung, die dazu führte, dass er zu stark hüpfte, wenn er einen Pfad hinunterfuhr. Wenn ich jemanden finden könnte, der einen Stoßdämpfer entwickelt, der das kann, was Bode Millers Knie tun, wäre ich ein Multimilliardär, scherzt er.

Er und Iagnemma hoffen, ein verbessertes Federungssystem in ihr Monoski-Design integrieren zu können. Bisher ist der Prototyp leichter als andere kommerzielle Designs und seine leicht verschobene Fußplatte verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Skispitze auf einen Stein trifft.

Shaw-Doran hat den neuen Ski am Mount Hood in Oregon getestet und fühlt sich ihm sehr verbunden. Ich kann mich nur von der Brust aufwärts bewegen. Wenn etwas von dieser Bewegung bei der Übertragung auf den Ski verloren geht, verliere ich Energie, sagt er. Es war also ein unglaublich gutes Gefühl.

Im Dezember fuhr Shaw-Doran mit dem Monoski nach Colorado, wo er um einen Platz im US-amerikanischen National Adaptive Alpine Ski Team und im Paralympischen Alpin-Ski-Team kämpfte. Er sagt, dass die Zusammenarbeit mit dem MIT auch das Interesse am Ingenieurwesen geweckt hat.

Mit Aluminium, Stahl und Titan zu arbeiten und zu verstehen, wie weich Aluminium im Vergleich zu Stahl ist und wie viel Vibrationen dadurch übertragen werden – ich würde gerne mehr darüber erfahren, sagt er.

Mehr Speichen für die Nabe
Hosoi hofft, dass STE@M das MIT als Ressource für Innovationen in der gesamten Leichtathletikbranche etablieren wird. Sie möchte dem Hub von STE@M weitere Sprecher hinzufügen und führt Gespräche mit Nike und Red Bull über Partnerschaften. Immerhin könnten Studenten, die eine Karriere in der Sporttechnologie anstreben, von mehr Industriepartnern profitieren.

Am Ende, sagt Hosoi, besteht das Ziel des Programms darin, den Schülern zu helfen, ihre Leidenschaften zu kanalisieren.

Wir zeigen Menschen, wie sie ihr technisches Know-how auf Dinge anwenden können, die sie wirklich begeistern, sagt sie. Ich möchte, dass diese Art von Energie STE@M durchdringt.

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