Von LEGO bis zu Lasern: Kinder erfinden die coolsten Dinge

Jul 28, 2023

Politiker und Experten sprechen über die bröckelnde Infrastruktur Amerikas. Aber ein Team wissenschaftlich denkender Ohioaner wollte etwas tun.

Das ist ein Prototyp: LEGO-Elemente und Lasersensoren demonstrieren die Zukunft des Lagerdachs ... [+] Sicherheitsüberwachung im Sinne der FIRST LEGO League Challenge-Teilnehmer 8 to Automate.

Der Forschungskader besuchte 2019 lokale Beamte im ganzen Bundesstaat und in ihrer Heimatstadt Dublin, Ohio. Sie berieten sich mit Bauexperten und interviewten Architekten, ein Hive-Mind-Hammer auf der Suche nach einem Nagel.

Schon bald fanden sie es: ein großes Problem, das nach einer Lösung verlangte.

Jedes Jahr stürzen in ganz Nordamerika etwa 4.000 Flachdächer, beispielsweise auf Lagerhallen und Lagerhallen, unter der Last des Schnees ein. Das Team entwickelte ein automatisiertes Früherkennungssystem mit faseroptischen Lasersensoren und baute einen Prototyp.

Von Siebt- und Achtklässlern. Mit LEGOs.

„Unsere Untersuchungen haben ergeben, dass der Einsturz von Flachdächern ein reales Problem darstellt“, sagte Teamleiter, der 13-jährige Malcolm Masri. „Es brauchte eine einzigartige Lösung.“

Dass es jetzt dank einer Gruppe ehrgeiziger junger Leute entstanden ist, kann sicherlich als einzigartig, ganz zu schweigen von beeindruckend – und wichtig – angesehen werden.

In vielen Gerichtsbarkeiten wurden die Bauvorschriften für Flachdächer geändert, um höheren Schneelasten Rechnung zu tragen. Doch viele Vorschriften haben sich nicht geändert und unzählige ältere Dächer sind weiterhin anfällig. Diese erfordern unzuverlässige, kostspielige und gefährliche Ad-hoc-Lösungen auf Schaufelbasis. Ein weiterer Grund zur Sorge: Bei einem Lagerhausbrand werden Flachdächer in der Regel innerhalb von Minuten für die Feuerwehrleute unsicher.

Masri hat zusammen mit einigen seiner Klassenkameraden an der Willard Grizzell Middle School ein zum Patent angemeldetes REST-System (Roof Evaluating Strain Tool) entwickelt, das erkennen kann, wann sich offene Fachwerkträger auch nur leicht zu verbiegen beginnen. Die Kinder aus Dublin, Ohio, nannten sich selbst „8 to Automate“ und adoptierten das von LEGO gebaute Oktopus-Maskottchen „Ocho“ als Haustier. Sie gehörten zu den 20 anderen Halbfinalisten-Teams von insgesamt mehr als 1.000 Teilnehmern, die im Juni bei der zehnten Jahrestagung ausgezeichnet wurden Die Global Innovation Awards der FIRST LEGO League Challenge werden von Disney verliehen. Das 8 to Automate-Team belegte den zweiten Platz, einen von zwei Zweitplatzierten.

Das Gewinnerteam, Aldeatrón Robotix, stammt aus den Kanarischen Inseln, Spanien, entwarf umweltfreundliche, temperaturkontrollierte Bausteine; Der andere Zweitplatzierte, QuickBots, ein Team aus Dayton, Ohio, erfand ein thermochromes Kühlmittel für brühend heiße Spielplatzgeräte.

Die gemeinnützige Organisation FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology) ist teils Robotik-Community, teils Zubringer von Talenten im MINT-Bereich (Science, Technology, Engineering, and Math) und die Idee des Erfinders und Unternehmers Dean Kamen.

Er hat es ins Leben gerufen, um K-12-Schüler – und nicht nur sogenannte Hochbegabte – zu ermutigen und zu inspirieren, eine MINT-Ausbildung anzustreben und Karrieren in diesen Bereichen anzustreben. Als eines von mehreren praktischen FIRST-Programmen umfasst die FIRST LEGO League (deren Gründungspartner LEGO Education ist) mehr als eine halbe Million Schüler in über 110 Ländern.

Die technischen Grundlagen werden gebaut, LEGO Duplo Stein nach LEGO Duplo Stein. Schließlich verzweigen sich die Programmteilnehmer in verwandte Bereiche, einschließlich Robotik. Die Schüler beginnen bereits in der Vorschule mit FIRST und steigern nach und nach ihre Fähigkeiten und ihr Wettbewerbsniveau. Masri begann im Alter von 9 Jahren. Seine Teamkollegen – Arwen Zhang, Sathvik Allipuram, Sai Rishik Lingam, Liam Swayne, Maxwell Imamura und Anya Zhang – waren eine Mischung aus Neulingen und Veteranen der FIRST LEGO League. Masris Vater Farid, ein Maschinenbauingenieur, ist einer von 300.000 FIRST-Freiwilligen, ebenso wie Mutter Judi. Beide engagieren sich als Mentoren im 8 to Automate-Team.

„Es war wunderbar zu sehen, wie die Schüler in den letzten vier Jahren in der FIRST LEGO League tiefgreifende Forschungsfähigkeiten entwickelten“, sagte Judi Masri, die als Portfoliomanagerin für staatliche Pensionsfonds globale Aktien erforscht.

„Die eingehende Untersuchung eines Problems fördert das kritische Denken“, sagte sie. „Der Führungssinn, das Selbstvertrauen und die Kommunikationsfähigkeit unserer Schüler sind enorm gewachsen. Diese Fähigkeiten werden sich auf ihre Ausbildung und Karriere übertragen.“

Kunaal Gudavali, ein Oberstufenschüler, beriet das 8 to Automate-Team ebenfalls. Wie viele Mentoren ist er ein Absolvent der FIRST LEGO League.

Zweifellos unterstützten die Ältesten das Projekt und stellten einen wichtigen Stützpfeiler dar; aber die Kinder trugen die schwere Last. Die gesamte Arbeit am Prototyp wurde von den Studenten durchgeführt, mit Ausnahme einiger Motorsägen zum Zuschneiden des Materials und der Einrichtung eines 3D-Druckers. Es sollte auch betont werden, dass die LEGO-Elemente zum Spaß und als Anspielung auf ihren prägenden Einfluss im Laufe der Jahre eingebaut wurden, aber auch als Möglichkeit, das Modelllager noch lebendiger zu gestalten. Bei den anderen Elementen gab es hingegen keine Spielereien: Zugeschnittene und bemalte Holzsäulen wurden mithilfe von 3D-gedruckten Stützen am Sockel befestigt; Auf der Oberseite wurde eine durchsichtige Polycarbonatplatte angebracht, die mit einer wasserdichten PVC-Membran ausgekleidet war und als Dach diente, um den Blick von oben auf die Fachwerkträger zu ermöglichen. Eine faseroptische Laserlichtquelle demonstrierte, wie ein reales System implementiert werden könnte.

Über die 1989 gegründete FIRST-Organisation sagte Kamen: „Oft wissen die Kinder nicht, was sie erwartet, weder vom Programm noch von sich selbst, und verlassen sie selbst nach einer Saison mit einer Vision, Selbstvertrauen und dem Gefühl, dass sie es können.“ Gestalten Sie ihre eigene Zukunft.

Mitten im Sommer 2020, bei allem, was auf der Welt passiert, konzentrieren sich nur wenige auf die Verbreitung von Flachdächern, die anfällig für ungleichmäßig verteilte Schneelasten sind.

Allerdings gibt es weltweit einen erneuten Fokus darauf, wie Kinder in Zukunft lernen werden. Wettbewerbsfähige, praktische Programme wie FIRST sind eine unterhaltsame und spannende Möglichkeit für Schüler, Fähigkeiten zu erlernen, die traditionell nicht immer vermittelt werden, sagen Pädagogen.

Angeregt durch die FIRST LEGO League und ihre eigene kindliche Staunen konnten diese Schüler herausfinden, was Versicherungsgesellschaften, Beamte der öffentlichen Sicherheit und Bauherren seit Jahrzehnten wussten, nämlich wie viele billig hergestellte Flachdächer gefährdet sind; Noch nicht vollständig geklärt – wie man das Problem am besten angeht.

Jedes Jahr altern die Dächer amerikanischer Gebäude – Lagerhallen, Lagerhallen, aber auch Parkhäuser, öffentliche Arenen, Kirchen, Schulen und Gesundheitseinrichtungen – und werden nicht mehr lebensfähig. Allmählicher Materialverschleiß kann sich im Laufe der Jahre ansammeln, wie eine acht Fuß hohe Schneewehe auf dem Parkplatz eines Einkaufszentrums in Cheektowaga, New York.

Im Laufe der Jahre wurde zur Überwachung von Belastungen faseroptische Sensortechnologie eingesetzt, wobei einige Technologiegenerationen zum Einsatz kamen, aber das Team von 8 to Automate war entschlossen, etwas Bahnbrechendes zu schaffen; Ein System, das kontinuierlich die kleinste Last auf dem gesamten Dach erkennen kann (und nicht nur eine Stichprobe vereinzelter, als kritisch erachteter Stellen) und, was noch wichtiger ist, schnell und kostengünstig in jedem Gebäude implementiert werden kann, ähnlich wie die Aufstellung von Rauchmeldern (im Gegensatz zu umfangreichen Nachrüstungsarbeiten). Dies führte sie dazu, Sensoren auf der Basis von Faser-Bragg-Gittern (FBG) zu erforschen, mikroskopische Gitter, die als Spiegel fungieren und durch die Licht wandert. Wenn die Faser gedehnt wird, reflektiert jeder Spiegel einen Teil des Lichts und sendet Informationen an ein Computersystem zurück, das winzige Änderungen umwandelt und interpretiert, die selbst auf die geringste Beeinträchtigung des offenen Fachwerkträgers hinweisen.

Gebäudeeigentümer können nicht nur darüber informiert werden, wann es an der Zeit ist, eine Schneeräumungslösung in Angriff zu nehmen, sondern auch genau, auf welche Bereiche sie sich konzentrieren müssen.

Zusätzlich zu den durch Einstürze verursachten Sachschäden kommt es auch zu zusätzlichen Verletzungen durch Ausrutschen und Stürzen von Menschen. Darüber hinaus kann zu viel Schaufeln oder nicht optimal ausgeführtes Schaufeln, wie sich herausstellt, einen Strukturunfall im Wartezustand sogar verschlimmern: Durch das Schaben mit der Schaufel werden wichtige Dachabdichtungsbahnen beschädigt, was zu gefährlichen Einsturzbedingungen führt.

„Faseroptische Sensoren sind besser als herkömmliche elektrische Dehnungsmessstreifen oder Wägezellen, weil sie leichter sind, weniger Strom benötigen, resistent gegen elektromagnetische Störungen sind, eine höhere Empfindlichkeit haben und einfacher zu installieren sind“, sagte Jim Blake, Professor für Elektrotechnik und Faseroptik an der Texas A&M University und außerdem Präsident von Grid Evolution Technologies.

Laut Farid Masri hatte mindestens ein Dachmanagementexperte das Team darüber informiert, dass es kein zuverlässiges System zur Überwachung der faseroptischen Laserlichtlast auf dem Dach gibt.

(Von links nach rechts) Sathvik Allipuram und Maxwell Imamura vom FIRST LEAGO League Challenge-Team, 8 bis ... [+] Automatisieren Sie, arbeiten Sie an mehr als nur einem wissenschaftlichen Grundschulprojekt, aber nichts weniger als einer großen Lösung für die zahlreiche Wohnung des Landes -Dachkonstruktionen.

Nachdem der Prototyp mit Hilfe von Ingenieuren der Ohio State University getestet wurde, erforderte das Design eine letzte Optimierung: Die Dehnungssensoren wurden mit Polyimidband auf dem gesamten Dach befestigt, wobei ein Mikrocontroller unterhalb der Dachmitte eingebettet wurde.

Das neu erfundene System könnte tatsächlich eine Lösung für ein seit langem bestehendes Problem darstellen, sagte Anthony Massari, Professor für Bau-, Umwelt- und Geodätikingenieurwesen an der OSU, der seinen Beitrag leistete.

„Obwohl die Vorschriften verbessert werden, um Gebäude sicherer zu machen, bleiben sie ein Kompromiss zwischen Sicherheit und Kosten“, sagte Massari.

Die Standards der American Society of Civil Engineers (ASCE) wurden aktualisiert, um höhere Schneelasten zu berücksichtigen, aber nicht alle Gebäude verwenden diesen neuen Standard. Ein Kubikfuß Schnee kann bis zu 21 Pfund wiegen, wobei Dichte und Dicke aufgrund von Verwehungen und Schmelzen schwanken, sodass eine bloße Sichtprüfung nicht zielführend ist, sagen Experten.

Nach Schätzungen verschiedener Branchenverbände entstehen jedes Jahr Versicherungsschäden im Zusammenhang mit Dacheinstürzen in Höhe von etwa 4 Milliarden US-Dollar. Mindestens ein Viertel, vielleicht sogar drei Viertel dieser Vorfälle sind auf Schnee oder eine Kombination aus Schnee, Wind und Regen zurückzuführen. Die meisten Ansprüche hängen im Allgemeinen mit Dacheinstürzen zusammen; Dazu zählen aber auch Reparaturen am Dach sowie entgangene Geschäftseinnahmen.

Bei ihrer Recherche erfuhren die studentischen Ingenieure von 8 to Automate von einem Einsturz des Lagerdachs im Jahr 2015 im nahe gelegenen Groveport, Ohio. Zu diesem Zeitpunkt befanden sich etwa 70 Mitarbeiter im Gebäude; Zum Glück wurde niemand ernsthaft verletzt. Allerdings waren Güter im Wert von mehreren Millionen Dollar unter Schnee und Trümmern vergraben und konnten nicht geborgen werden.

Es ist zu Todesfällen gekommen. Im Februar 2006 stürzte das Dach einer Ausstellungshalle in der polnischen Stadt Kattowitz unter starkem Schneefall ein und tötete mehr als 60 Menschen.

In Sportstadien kam es im Laufe der Jahre zu einigen bemerkenswerten, aber zum Glück nicht tödlichen Einstürzen.

Im Januar 1978 stürzte nach einem zehntägigen Schneesturm das Dach des Hartford Civic Center ein, nur sechs Stunden nach einem Basketballspiel der University of Connecticut. Durch eine Wendung des Schicksals befand sich die Mannschaft, die normalerweise drinnen gewesen wäre (und den Platz in eine NHL-Eisbahn verwandelte), mitten in einer einmal im Jahr stattfindenden dreitägigen Basketball-Pause.

Vor seinem Abriss vor sechs Jahren erlebte der Hubert H. Humphrey Metrodome, die Heimat der Minnesota Twins und Vikings, eine Reihe von Einstürzen seines aufblasbaren Daches aus teflonbeschichtetem Fiberglas/Stoff, darunter einer im Jahr 2010, der von einem CBS gefilmt wurde Filmteam.

Im selben Jahr stürzte das Dach des ILT-Stadions Southland in Invercargill, Neuseeland, nach starkem Schneefall ein. Niemand wurde verletzt, aber der Mehrzweck-Austragungsort war vier Jahre lang außer Betrieb (und verdrängte die Southland Sharks aus der New Zealand Basketball League), bis eine neue Anlage gebaut werden konnte.

Kommunen in Regionen, die anfällig für Winterstürme sind, mussten einige beängstigende Bedingungen ertragen, wobei in der gesamten Region mehrere Einstürze auftraten, was die Ersthelfer überforderte.

Letzten Winter sorgte in Minnesota und North Dakota ein böses Gebräu aus Schnee, Graupel, Regen und Wind von Mutter Natur für gefährlich nassen und starken Schnee, der zu mehreren Dacheinstürzen führte. Das Dach der katholischen Kirche St. Francis de Sales in Moorhead, Minnesota, stürzte ein – an einem Sonntagmorgen –, als Hunderte an Gottesdiensten teilgenommen hätten, die Gott sei Dank abgesagt worden waren.

In Buffalo, NY, brachte 2014 ein ungewöhnlicher Sturm am Thanksgiving-Wochenende (in manchen Gegenden bis zu 2,5 Meter) Schnee mit sich und führte zu mindestens einem Dutzend Einstürzen in der ganzen Stadt. Die selbst für Buffalo ungewöhnlichen Bedingungen führten zur Evakuierung von mindestens einem Pflegeheim und mehreren Wohnwagensiedlungen. Dann verschlechterten sich die Bedingungen, als das Wetter wärmer wurde und es zu nassen und höheren Schneelasten kam. Die schlimmsten Befürchtungen wurden nicht wahr, aber Anwohner und Geschäftsinhaber erlebten ein paar beängstigende Tage.

Die Vorschriften für Wohnhäuser und Unternehmen, insbesondere an schneereichen Orten, sind strenger, im Gegensatz zu Lagerhäusern, wo sie weniger streng sind. Das liegt daran, dass in dieser Kosten-Sicherheits-Gleichung davon ausgegangen wird, dass die Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung eines Menschenlebens geringer ist.