Srednja škola izumitelja 2011

Između natjecanja za ohrabrivanje i ispita iz povijesti, ovih 10 pametnih učenika poboljšava liječenje raka, čisti ispušne sustave automobila i poboljšava komunikaciju između ljudi i robota.

ALLISON DANA BICK

Srednja škola: Srednja škola Millburn, Millburn, N.J.
Izum: Tester kvalitete vode za pametni telefon

Kad je Alison Dana Bick bila u srednjoj školi, pljusak je preplavio ulice njezinog rodnog grada i poplavio bunar. Javni službenici upozorili su da je poplava možda odnijela kanalizaciju u vodoopskrbu. "Moj prijatelj je nazvao da pita postoji li način da se provjeri sigurnost vode iz slavine", kaže Bick. Kad je Google pretraga otkrila da ne postoji brz i jednostavan test za kućanstvo, odlučila ga je izraditi. Četiri godine kasnije dovršila je rad na aplikaciji za mobitel koja određuje koncentraciju bakterija u fotografiranom uzorku vode. Za razliku od trenutnih kompleta za testiranje vode kojima je potrebno 18 sati da se procijeni potpuni kemijski i bakterijski sastav sadržaj uzorka, Bickov test mobitela daje jednostavan odgovor - kontaminirano ili sigurno popiti — odmah. Bick je znao da Colilert-18, jedno od najčešćih sredstava za testiranje kvalitete vode, požuti kada se pomiješa s vodom kontaminiranom bakterijama; što je više bakterija, nijansa je tamnija. Stoga je razvila algoritam za očitavanje i analizu intenziteta žutih piksela na fotografiji niske rezolucije kemijskog uzorka vode. Trenutno surađuje s ogrankom američkog Crvenog križa Millburn Short Hills kako bi testirala sustav na terenu.

Koledž: Bick ove jeseni počinje prvu godinu na Sveučilištu Princeton. Planira studirati kemijsko inženjerstvo.

RYAN ERICKSON

Srednja škola: Srednja škola Los Alamos, Los Alamos, N.M.
Izum: Prijenosna jedinica za desalinizaciju na solarni pogon

Ryan Erickson možda živi na visokoj pustinjskoj planini, ali za to ima velike planove ocean. Prošle godine počeo se zanimati za velike projekte desalinizacije—koji uklanjaju sol i ostalo minerala iz morske vode kako bi bila pitka — u zemljama kao što su Ujedinjeni Arapski Emirati i Australija. Ali ubrzo je saznao da nitko nije izgradio prijenosni, automatizirani, pristupačni sustav za desalinizaciju koji također tretira morska voda za štetne bakterije—iako milijuni ljudi, uključujući one koji žive u obalnim zemljama, nemaju sigurno piće voda. Njegov uređaj na solarni pogon, kocka od tri stope koju lako nose dvije osobe, oslanja se na lako dostupne materijale: pijesak, drveni ugljen i plastične boce. Slana voda se filtrira kroz slojeve pijeska i drvenog ugljena prije ulaska u komoru za kuhanje. Para se hladi i skuplja na zavojnici kondenzatora, a zatim izlaže SteriPEN-u, koji ultraljubičastim svjetlom ubija štetne bakterije. Drugi prijenosni sustavi za desalinizaciju su manje sofisticirani i mogu ukloniti samo sol iz vode, ne i druge štetne zagađivače. Ericksonov sljedeći korak je redizajniranje sustava kako bi bio još kompaktniji.

Koledž: Ove jeseni, Erickson će upisati Kalifornijsko sveučilište u San Diegu, gdje će studirati elektrotehniku.

PARAM JAGGI

Srednja škola: Plano East Senior High School, Plano, Texas
Izum: CO

EDUARDO FERNANDEZ

Srednja škola: Carl Hayden Community High School, Phoenix, Ariz.
Izum: 3-D potpomognuta robotska ruka

Nakon što je Eddie Fernandez s pet godina shvatio kako rastaviti automobil na daljinsko upravljanje, nijedna naprava nije bila sigurna. "Igračke, baterije, motori, strujni krugovi: želio sam znati kako svi rade", kaže on. U sedmom razredu pridružio se timu koji je izrađivao robote za državno natjecanje FIRST. Jedan ulazak bacio je sfere od 80 inča osam stopa u zrak. Drugi je igrao nogomet. Također je pomogao u dizajnu i izradi podvodnog autonomnog robota. Ali njegov najbolji rad do sada, kaže on, nastao je kada je vodio konstrukciju robotske ruke EVROV, dizajnirane za podizanje i pomicanje instrumenata koji pomažu astronautima u svemirskim šetnjama. Također je stvorio komplementarni 3-D video sustav koji pomaže ljudskim operaterima u mjerenju dubine dok daljinski upravljaju rukom iz unutrašnjosti svog broda. Predstavio je robota (i njegovu cijenu od gotovo 11.000 dolara) na prošlogodišnjoj dodjeli nagrada Conrad Foundation Spirit of Innovation Awards. Fernandez je djelomično motiviran neizvjesnošću - otac mu je nedavno deportiran u Meksiko. “Kada se to dogodilo, stvarno sam shvatio da se stvari mogu promijeniti preko noći”, kaže. "I da sam trebao više raditi i bolje iskoristiti svoje vrijeme."

Koledž: Fernandez će na jesen krenuti na Sveučilište Arizona State na studij strojarstva.

ALEXANDER GILBERT

Srednja škola: Škola St. Albans, Washington, D.C.
Izum: Poboljšani MRI kontrast za točnije dijagnoze

Kad je Alexu Gilbertu bilo oko šest godina, njegovom bliskom rođaku dijagnosticirana je multipla skleroza. Godinu dana kasnije otkrila je da su liječnici krivo protumačili rezultate njezine magnetske rezonance. “Bio sam tako mlad, mislim da nisam u potpunosti shvatio koliko je [lažna dijagnoza] bila šokantna”, kaže Gilbert. U dobi od 15 godina počeo je proučavati tehnologiju magnetske slike, a nakon druge godine srednje škole stažirao je na Nacionalnom institutu za zdravlje. Tamo je razvio tehniku ​​za poboljšanje kontrasta slike magnetske rezonancije kako bi praktičari mogli točnije uočiti znakove neuroloških bolesti. Sustavi magnetske rezonancije pobuđuju protone i bilježe obrazac po kojem se njihova vrtnja usporava - to je ono što proizvodi sliku. Ali gustoća stanica svakog dijela tijela mijenja intenzitet signala: zrak i kosti proizvode slabe signale i tamne slike. Masnoća i srž proizvode svijetle slike. Gilbert je napisao algoritam koji uzima u obzir te razlike i poboljšava kontrast slike, što može pomoći u otkrivanju oštećenja tkiva koje je teško uočiti. Sljedećeg ljeta, u Općoj bolnici Massachusetts u Bostonu, Gilbert je razvio drugu tehniku ​​za poboljšanje kontrasta u MRI slikama. Otkrio je da su ubrizgavanjem boje koja se veže na nukleinske kiseline strukturni detalji u sivoj tvari jasniji.

Koledž: Gilbert će uskoro započeti prvu godinu na MIT-u. Planira diplomirati fiziku ili biofiziku.

MATTHEW FEDDERSON I BLAKE MARGGRAFF

Srednja škola: Srednja škola Acalanes, Lafayette, Kalifornija.
Izum: Liječenje raka na bazi kositra

Matt Feddersen i Blake Marggraff zajedno dižu stvari u zrak u svojim dvorištima još od petog razreda. "Svako od nas ima vrlo strpljive roditelje", kaže Marggraff. U prvom razredu srednje škole ušli su u svijet formalnog eksperimentiranja. Učitelj je spomenuo da neispravni štitovi na bazi kositra u nuklearnim elektranama na neki način pojačavaju zračenje. Feddersen i Marggraff, koji su oboje imali članove obitelji koji su se borili s rakom, pitali su se može li se koristiti kositar stvoriti sekundarnu dozu rendgenskih zraka koja bi povećala početnu dozu, čineći liječenje zračenjem većim djelotvoran. U biološkom laboratoriju svoje srednje škole učenici su ubrizgali sićušne čestice kositra u simulirani tumor napravljen od kvasca. Kad su x-zrake pogodile metal, proizvele su drugi val zračenja kao u neispravnim nuklearnim štitovima, ali ovaj put pržeći dodatne stanice. Tretman je ubio više od 20 posto više stanica nego konvencionalni tretmani zračenjem, za samo 60 centi po pacijentu. Feddersen i Marggraff planiraju testirati liječenje na ljudskim stanicama kada krenu na koledž.

Koledž: Feddersen godinu dana pohađa Sveučilište Illinois i planira prijeći na MIT. Marggraff upisuje Sveučilište Washington u St. Louisu.

JAO-KE CHIN-LEE

Srednja škola: Srednja škola Stuyvesant, New York, N.Y.
Izum: Aktivno poništavanje buke za govornu interakciju čovjeka i robota

Otkako je 2006. godine prvi put gledala televizijsku emisiju o DARPA-inom natjecanju Grand Challenge za automobile bez vozača, Jao-ke Chin-Lee fascinirana je umjetnom inteligencijom. U srednjoj školi prijavila se za ljetni istraživački program na MIT-ovom Fakultetu za računalnu znanost i umjetnu inteligenciju Laboratoriju i završio rad na autonomnom viličaru poznatom kao Pokey, jednom od glavnih projekata laboratorija koji godina. Roboti teško obrađuju suptilne infleksije ljudskog jezika, osobito kada je prisutno mnogo pozadinske buke. Pokey, dizajniran za rad na gradilištima, nije mogao uočiti razliku između izgovorenih naredbi i ambijentalne buke koja ima iste frekvencije kao i ljudski govor. Nakon što je sama naučila kako primijeniti potrebnu matematiku i informatiku na obradu govora, Chin-Lee je razvila algoritam koji filtrira pozadinsku buku. Program ima potencijalne primjene izvan samog Pokeya; ona se nada da će ga jednog dana ugraditi u invalidska kolica s glasovnim upravljanjem, na primjer.

Koledž: Ove jeseni, 16-godišnja Chin-Lee, koja je preskočila prvi razred, započet će prvu godinu na Sveučilištu Harvard, gdje planira studirati informatiku i strojno učenje.

JAVIER FERNANDEZ-HAN

Srednja škola: Homeschool, Conroe, Texas
Izum: Sve-u-jednom sustav otpada, hrane i energije

Tijekom posjeta Svjetskoj izložbi 2005. u Japanu, Javier Fernandez-Han i njegova obitelj naišli su na lažni izbjeglički kamp koji su organizirali Liječnici bez granica. “Nisam znao da ljudi žive u takvim situacijama, bez pitke vode, hrane i krova nad glavom”, kaže. "Shvatio sam da se želim usredotočiti na sustave za održivi život." Godine 2009. s 15 godina počeo je integrirati postojeće i modificirani uređaji poput pumpe za vodu i zahoda s ispiranjem u sustav sve u jednom za izbjegličke kampove i mala sela u svijet u razvoju. Među ostalim funkcijama, njegov izum pročišćava kanalizaciju, pretvara štetne plinove, uključujući metan, u gorivo za alge, te proizvodi kisik i biomasu algi koja može hraniti stoku. Kasnije te godine osvojio je Ashoka Lemelson nagradu za izvrsnost za uređaj. Ubrzo se počeo pitati: ako je sam stvorio ovaj sustav, što bi cijeli tim izumitelja mogao učiniti? Osnovao je dvije grupe, Inventors Without Borders i Innovation Foundry, u kojima tinejdžeri surađuju na problemima poput gladi, nedostatka obrazovanja i loše kvalitete zraka.

Koledž: Fernandez-Han se nada da će studirati industrijski dizajn na Sveučilištu Stanford.

GABRIJEL VIDI

Srednja škola: Renesansna škola umjetnosti i rasuđivanja, Sammamish, Wash.
Izum: Lego robot za automatizirano sastavljanje DNK

U dobi od devet godina, Gabriel See pridružio se timu robotike svoje srednje škole. Do 11. godine savladao je sve srednjoškolske prirodoslovne i matematičke tečajeve koji su bili dostupni u njegovom okrugu te je upisao dodiplomske i diplomske studije na Sveučilištu Washington. See je radio s nekoliko komercijalnih sustava za rukovanje tekućinama—uređajima koji koriste robotske ruke i motorizirane pipete za mjerenje, prijenos i kontrolirati tekućinu u preciznim količinama - ali znao je da je cijena opreme od 10.000 do 50.000 dolara čini nedostupnom svima osim onima s najboljim darovima laboratoriji. Tako je u sveučilišnom laboratoriju za patologiju izumio jednostavan sustav koji koristi Lego Mindstorm igračke za programiranje. U roku od godinu dana dovršio je sustav koristeći firmware iz Laboratorija za robotiku Carnegie Mellon i softver koji je sam napisao. Može prenijeti samo pet mikrolitara (malo više od vrha kemijske olovke), količinu koju zahtijevaju takvi projekti kao što je sklapanje DNK. Sustav košta samo 750 dolara, što ga čini pristupačnim malim sveučilištima i start-up tvrtkama. Uređaj je osvojio srebrnu medalju na MIT-ovom natjecanju iGEM 2009.

Koledž: See još uvijek mora naučiti voziti i ići na maturalnu, ali već se nada studiranju računalne biologije na MIT-u.

SARA VOLZ

Srednja škola: Srednja škola Cheyenne Mountain, Colorado Springs, Colo.
Izum: Poboljšana učinkovitost biogoriva dobivenog iz algi

Sara Volz inzistira na tome da nije neka "krckava" tinejdžerka iz Kolorada. S obitelji planinari, skija i kampira, no radije bi vrijeme provodila eksperimentirajući. Volz je u ranoj mladosti odlučila da želi pomoći u uklanjanju potrošnje fosilnih goriva, te je u sedmom razredu počela proučavati alternativna goriva. Kao brucoš u srednjoj školi, počela je testirati ulje konoplje kao potencijalni izvor biogoriva prije nego što je pročitala nekoliko članaka u časopisu o gorivu na bazi algi. Nakon što je razgovarala s lokalnim tvrtkama za alternativna goriva i laboratorijima da je upoznaju s terenom i opremom, postavila je fotobioreaktor i novi medij u kojem će uzgajati alge kod kuće. Manipulirala je uvjetima rasta kako bi ograničila opskrbu algi dušikom i sumnja da manipulacija povećava transkripciju enzima koji algama omogućuje više nakupljanja ulje. “Cijela ideja je tako privlačna,” kaže ona, “stvaranje ulja od barskog ološa.” Sljedeća će testirati je li ekstra kopije gena enzima uzrokuju da alge proizvode više ulja, što bi značilo veće prinose ulja po hektar

Koledž: Volz želi pohađati Ivy League ili malu školu slobodnih umjetnosti s jakim istraživačkim fokusom. Planira studirati biokemiju ili molekularnu biologiju.