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　　每到年中，《大眾科學》雜志都會評選出年度十大最佳發(fā)明，到今年已經(jīng)是第5屆了。這些出自“車庫里的靈感”有的旨在利己助人，有的僅僅只是為了娛樂。不管目的如何，發(fā)明者的才智和專注都令人贊嘆。今年的10位獲獎者延續(xù)了這一傳統(tǒng)，毫不意外地給我們帶來了一眾杰出的設計。

　　

　　

　　機械義手

　　    1.靈活的機械義手

　　    名稱：斯塔克手

　　    發(fā)明人：馬克·斯塔克

　　    研發(fā)時間：7年

　　    研發(fā)成本：1.7萬美元—1.8萬美元

　　    假手通常分為三種：純裝飾性的模型手，運動功能有限的鉤狀手或其他低成本的機械手，以及可以更好地模仿真手的動作但成本達數(shù)萬美元的電子手。馬克·斯塔克發(fā)明的這款義手就融合了三者的優(yōu)點：它使用簡潔的塑料部件，同普通的鉤狀機械手一樣輕便、便宜，但外觀和功能卻更像高端的電子手。

　　    “斯塔克手”不使用任何電子元件，每個手指上有三個關節(jié)（大拇指上是兩個），可以獨立彎曲，以適應所要抓握的物體的形狀，包括鉤狀義手無法抓握的不規(guī)則物體。

　　    鉤狀義手一般安裝在使用者手臂末端的插孔上，通過肩部的牽引索來控制。使用者聳動肩膀時，牽引索便會拉動鉤子，使之張開；當肩膀放松下來，牽引索松弛，鉤子隨之合上。“斯塔克手”使用同樣的控制系統(tǒng)，但在手掌中加了一個調(diào)控桿，這個調(diào)控桿與另外5根牽引索相連，這些牽引索又分別搭在5根手指的指背上。使用者通過肩部動作，可以利用調(diào)控桿讓5根手指同時張開，而5根獨立的牽引索又可以讓各個手指獨立合上。當手指觸摸到目標物體并穩(wěn)住后，關節(jié)處的彈簧才會回縮。彈簧的彈性很好，既可以輕柔地拿著一枚雞蛋，也能夠有力地舉起一把椅子。

　　    斯塔克之所以制作義手，部分原因是為了幫助天生便失去了左手的朋友戴夫·沃格特。從2004年至今，他已經(jīng)測試改進了5套義手原型?，F(xiàn)在，除了上班之外，沃格特走到哪兒都離不開“斯塔克手”，因為他是一個機械工，搬動重物的活兒鉤狀義手更在行。

　　    更耐用的版本最早今年冬天就可以面世，它將使用更堅韌的塑料和更光滑的零部件。一向樂意幫助發(fā)明者將想法變成產(chǎn)品的Edison Nation公司最近相中了“斯塔克手”，決定進行商業(yè)開發(fā)，現(xiàn)在正忙著把它推介給一個大型義肢制造商。

　　

　　

　　“保鏢”裝甲袖套

　　    2.能制服犯罪分子的裝甲袖套

　　    名稱：保鏢

　　    發(fā)明人：大衛(wèi)·布朗

　　    研發(fā)時間：7年

　　    研發(fā)成本：未公開

　　    “保鏢”其實是一種配有高壓電擊器、攝像機、激光瞄準儀和電筒的裝甲袖套，發(fā)明者大衛(wèi)·布朗是一名攝影師、編輯和音樂電視制作人。這個創(chuàng)意誕生于2004年一個夜晚，當時布朗和幾個朋友正在討論不久前發(fā)生在附近公園的美洲獅襲人導致一死一傷的悲劇事件。布朗覺得，面對這樣的襲擊，即便手中有刀或其他手持武器也無濟于事，他希望能有一種讓人依靠本能來使用的東西，于是用醫(yī)用臂套、現(xiàn)成的電擊槍和超市買來的火警報警器按鈕做了一個樣品。

　　    歷經(jīng)7年制造了30個樣品之后，第一個試用版“保鏢”面世了，其各個部件以易用、舒適和防止自傷為原則組合在一起。高清攝像機除了取證之外，還有威懾作用，如果對方拒不合作，那么可以用裝在手腕上的電擊器來嚇退他，萬不得已時，可以將對方暫時擊昏。

　　    “保鏢”的市場主要是警察、管教人員和軍隊。今年5月，它首次在美國司法部舉辦的年度模擬監(jiān)獄暴動演習中亮相，第一批試用品將于年底發(fā)放給洛杉磯警察局使用。布朗說，未來的產(chǎn)品還會加裝化學傳感器、可以幫助士兵同國外通訊的電子翻譯器或者適用于機場安保的生物識別儀等。

　　

　　

　　打印刷

　　    3.像鼠標的袖珍打印刷

　　    名稱：打印刷

　　    發(fā)明人：亞歷克斯·布萊頓

　　    研發(fā)時間：11年

　　    研發(fā)成本：1000萬美元

　　    2000年，歐洲一家大型橡皮圖章公司找到瑞典工程師亞歷克斯·布萊頓，向他征求新的產(chǎn)品創(chuàng)意。布萊頓沒有提出新的印章設計，而是發(fā)明了“打印刷”（PrintBrush）。這款袖珍型打印機僅重250克，使用噴墨技術以及與計算機鼠標類似的光學和跟蹤軟件，可以將上傳的圖案和文字印刷在任何平面上，包括紙張、塑料、木材甚至織物。

　　    傳統(tǒng)的打印機永遠都比紙張要寬大，這是因為紙張必須在打印機內(nèi)部傳送，這樣才能準確定位紙張相對于打印頭的位置。為了突破這一限制，布萊頓采用了激光傳感器來追蹤“打印刷”的位置。“打印刷”操作起來更像是一個鼠標，當用戶在紙張上移動“打印刷”時，激光傳感器會不斷地向紙張表面發(fā)射紅外激光束。根據(jù)反射光束的散射情況和激光束的能量波動，就可以確定“打印刷”的速度和方向。

　　    布萊頓及其團隊用了不到兩年時間開發(fā)出第一個樣品，但推出現(xiàn)在的成品卻耗時近10年。他們不斷地改進追蹤定位系統(tǒng)，并以激光傳感器取代LED（發(fā)光二極管）傳感器，同時還通過一系列運算快速形成“墨水配方”，實現(xiàn)了1600萬色的彩打。

　　    明年上半年，一款頂著“世界最小打印機”頭銜的“打印刷”將投放市場，其擁有內(nèi)置相機，可以即拍即印照片。在此之后，布萊頓還將發(fā)布一款名為A4的更小的款型。

　　

　　產(chǎn)前疾病檢測筆

　　     4.產(chǎn)前疾病檢測筆

　　     名稱：孕期篩查工具包

　　    發(fā)明人：西恩·莫納格爾及其同學等7人

　　    研發(fā)時間：3年

　　    研發(fā)成本：2萬美元

　　    每年大約有630萬名孕婦和新生兒因為孕期或者分娩并發(fā)癥而死亡，其中90%的孕產(chǎn)婦死亡案例發(fā)生在發(fā)展中國家，因為她們很少進行產(chǎn)前檢查。有感于此，在約翰·霍普金斯大學生物工程創(chuàng)新和設計中心就讀研究生的西恩·莫納格爾和同學一起發(fā)明了一種產(chǎn)前疾病檢測筆，相比其他常規(guī)檢查方法，可以及早、準確、低成本地確診產(chǎn)前疾病。

　　    在美國，孕婦最常用的產(chǎn)前篩查先兆子癇及相關并發(fā)癥的方法是50美分的試紙檢查，這種疾病每年導致7.6萬名孕產(chǎn)婦和50萬名新生兒死亡，如果能夠及早診斷，就很容易治療。但對發(fā)展中國家來說，這種試紙?zhí)F，難以推廣。而莫納格爾他們發(fā)明的檢測筆使用一次的成本只有三分之一美分，而且操作簡單，任何人都容易理解：先用檢測筆在濾紙上劃一道黃線，然后擠上一滴尿樣，當黃線變成深藍色，說明檢測筆“墨水”中的化學試劑與尿液中高含量的蛋白質(zhì)發(fā)生了反應，這是尿樣提供者患有產(chǎn)前子癇的確切證據(jù)。

　　    學生們計劃研發(fā)一套產(chǎn)前篩查工具包，用不同顏色的彩筆篩查檢測包括孕期糖尿病和尿道感染等在內(nèi)的不同病癥。

　　    “如果我們主動把這種救命的關懷帶給女性，而不是等著她們前來求醫(yī)，結(jié)果會產(chǎn)生重大影響。”非盈利組織Jhpiego的醫(yī)學負責人哈沙德·山格維說。該組織目前正在尼泊爾開展一項利用產(chǎn)前疾病檢測筆篩查先兆子癇的研究。

　　

　　液晶太陽鏡設計圖

　　

　　液晶太陽鏡

　　    5.屏蔽強光的液晶太陽鏡

　　    名稱：“動態(tài)眼”太陽鏡

　　    發(fā)明人：克里斯·穆林

　　    研發(fā)時間：8年

　　    研發(fā)成本：200萬美元

　　    在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室攻讀物理學博士后時，克里斯·穆林最煩惱的就是通勤問題：他每天要頂著大太陽開車十幾英里從家趕往實驗室，眩目的陽光讓他頭痛，而且很難看清楚對面來的車。他覺得這樣很不安全，于是有了一個想法：制造一副能夠利用電子屏蔽來防護強光照射的太陽鏡。

　　    他選擇了液晶作為鏡片材料，讀博士時他對此進行過深入研究：液晶的視覺特性可以通過電子手段進行調(diào)節(jié)，同時又擁有普通太陽鏡鏡片的透明度。他將自己的發(fā)明命名為“動態(tài)眼”。在這個太陽鏡的鼻梁架上安裝著一個小型傳感器，可以探測到強光，并將其位置傳送給旁邊的微控制器。微控制器隨即指示液晶鏡片在眼睛前方形成一個4到6毫米的方形黑斑來遮擋強光。當佩戴者轉(zhuǎn)頭時，黑斑也會隨之移位，以擋住來自任何角度的強光，同時保證周圍環(huán)境清晰可見。

　　    穆林花了5年時間制造出5個樣品，才最終將電池和電子元件縮減到標準太陽鏡適用的尺寸。不過，目前它還不能投放市場，因為試用中發(fā)現(xiàn)，液晶太陽鏡偶爾會出現(xiàn)故障。穆林打算加強電子元件之間的聯(lián)系，以確保微控制器的命令能送達鏡片。而且，他還在研發(fā)基于塑料的可彎曲液晶，這樣成品會更輕，防碎性能更好，便于商業(yè)推廣。

　　    穆林的研究得到了美國空軍的部分資助，目前他也在研制適合戰(zhàn)斗機飛行員和士兵佩戴的護目鏡。同時他也計劃與奧克利等太陽鏡制造商接洽，普通民眾或許在幾年后就能夠買到“動態(tài)眼”太陽鏡了。

　　

　　

　　臭蟲探測器

　　    6.效率更高的臭蟲探測器

　　     名稱：臭蟲探測器

　　    發(fā)明人：克里斯·戈金

　　    研發(fā)時間：一年半

　　    研發(fā)成本：50萬美元

　　    來自北卡羅萊納州的機械工程師克里斯·戈金擁有20多項專利，參與過導彈電子系統(tǒng)和F-22猛禽轟炸機油箱的研發(fā)工作，是個不折不扣的“創(chuàng)新家”。兩年前，當越來越多的人帶著滿身紅點奇癢難耐地從夢中醒來，戈金決定，要制造一種便宜而又有效的臭蟲探測器。

　　    臭蟲在美國消失了半個世紀之久，大約10年前又卷土重來。它們行跡隱秘，可以藏身在任何物體的褶皺和縫隙中。與蟑螂和老鼠不同，臭蟲不怕毒餌，只有直接噴藥才能消滅它們，所以找到臭蟲的具體藏身之處極其重要。滅蟲人員通常每個房間要花一個小時才能鎖定臭蟲藏匿的地點，但戈金的臭蟲探測器卻只需用15分鐘。

　　    它模仿了狗的嗅探模式。目前在美國有大約200只狗在協(xié)助滅蟲人員工作。但嗅探犬的訓練和養(yǎng)育成本在3萬美元到7萬美元之間，這筆費用通常會轉(zhuǎn)嫁到消費者頭上；而且狗只能將臭蟲的藏身地點確定在一兩米的范圍內(nèi)，剩下的大量工作還是需要人工完成；此外，狗不能區(qū)分雄性和雌性臭蟲釋放的信息素(產(chǎn)卵的雌臭蟲危害性最大)，也分辨不出臭蟲釋放出的其他信號，比如無味的二氧化碳和甲烷。

　　    而戈金的臭蟲探測器裝有3個能夠識別臭蟲信息素以及二氧化碳和甲烷的傳感器，探測精度是狗的3倍，并且還能夠區(qū)分臭蟲的性別。當探測者遠離或者靠近臭蟲藏身處時，內(nèi)置的監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)出提醒，以不同顏色顯示。這種手持式臭蟲探測器將于今年上市，售價為200美元。戈金表示，他正在研發(fā)一種多用探測器，可適用于蟑螂、螞蟻和老鼠等。

　　

　　

　　滑雪用的安全著陸墊

　　     7.滑雪用的安全著陸墊

　　    名稱：卡塔爾著陸墊

　　    發(fā)明人：亞倫·科萊特和斯蒂芬·斯倫

　　    研發(fā)時間：6年

　　    研發(fā)成本：未公開

　　    6年前，20歲的加拿大英屬哥倫比亞大學工程系學生亞倫·科萊特在玩滑雪板時，來了個50英尺的騰躍，結(jié)果失去控制，肩部重重著地，摔斷了兩根椎骨，導致頸部以下癱瘓?？迫R特決心要為提高滑雪板運動的安全性而努力。他和同學、同為滑雪板愛好者的斯蒂芬·斯倫一起，發(fā)明了專為滑雪和雪板運動設計的安全落地墊。

　　    這個墊子以乙烯樹脂和尼龍制成，長20英尺（約6米），寬15英尺（約4.5米），厚5英尺（約1.5米），由兩塊充氣墊組成。上面的充氣墊是密封的，下面的充氣墊則有閥門，可以放出一定量的空氣。大多數(shù)著陸墊被踩時會塌陷得很厲害，而這種新的著陸墊足夠堅硬，能讓運動員穩(wěn)穩(wěn)落地；同時又有足夠的彈性，可以減少對運動員的傷害。

　　    兩位發(fā)明人為這一設計申請了專利，并成立了卡塔爾創(chuàng)新公司（Katal Innovations），與一家兒童游樂場充氣城堡制造商合作，生產(chǎn)更大型號的著陸墊。但新產(chǎn)品的彈性不夠，并不像他們制作的樣品那樣安全好用。經(jīng)過分析測試，他們發(fā)現(xiàn)，其中的關鍵就在于，當樣品著陸墊受壓時，閥門會稍微放一點氣，起到緩沖作用。為復制這一效果，他們在新產(chǎn)品中加入了鼓風機和排氣孔，可以持續(xù)地充氣和放氣。

　　    受加拿大官方邀請，卡塔爾著陸墊在溫哥華冬季奧運會開幕式上進行了展示，這次“亮相”很成功。過去一年來，卡塔爾著陸墊進駐了北美多個滑雪勝地。“很多人對它感興趣，”范爾山滑雪場經(jīng)理布賴恩·魯尼說，“極限運動賽金牌得主和奧運會選手都來排隊試用。”

　　

　　

　　零廢液污水處理系統(tǒng)

　　    8.污水變清水的處理系統(tǒng)

　　    名稱：零廢液污水處理系統(tǒng)

　　    發(fā)明人：納蒙·納瑟夫

　　    研發(fā)時間：7年

　　    研發(fā)成本：數(shù)十萬美元

　　    船上的發(fā)動機壞了，這對納蒙·納瑟夫來說是個機會，他終于可以裝上自己的發(fā)明了。這個被他稱為“零廢液污水處理系統(tǒng)”的機器可以利用發(fā)動機產(chǎn)生的熱量來氧化和蒸發(fā)船上廁所、浴室和廚房的污水。

　　    一臺普通的內(nèi)燃機只能有效利用燃料中30%到35%的能量，其余的能量則以熱量的形式通過散熱器或者排氣管浪費掉。這個微波爐大小的零廢液污水處理系統(tǒng)利用的就是這部分熱量，它可以安裝在船上任何地方。當沖廁所或者清理污水箱時，臟水通過管道首先被送到處理系統(tǒng)的平衡池，其中的雜物會被碾成直徑為6毫米或者更小的碎塊；接下來進入高速攪拌器，里面裝有三套刀片，能把固體切成直徑0.05毫米的微粒；然后用一臺噴射泵給污水流增壓，使它以氣霧形式通過管嘴噴入發(fā)動機的排氣系統(tǒng)。

　　    空轉(zhuǎn)發(fā)動機的排氣裝置溫度至少有大約288攝氏度，這足以將污水變成蒸汽，使其中的有機物熱氧化。簡而言之，零廢液污水處理系統(tǒng)可以把進入其中的任何有機物分解掉。納瑟夫說，整個過程不會產(chǎn)生異味，主要的副產(chǎn)品就是二氧化碳和清潔的水蒸氣。

　　    2004年，納瑟夫用洗衣機零件和一個5加侖的油漆桶制成了第一臺樣機。經(jīng)過11代更新，目前的版本消耗的能量只相當于10個100瓦的燈泡，它不像其他便攜式廁所污水處理系統(tǒng)那樣使用有害的化學物質(zhì)，并且可以根據(jù)需要定制。2007年，它獲得了美國海岸警衛(wèi)隊頒發(fā)的船用衛(wèi)生設施許可證。

　　    零廢液污水處理系統(tǒng)的用武之地不僅僅局限于船只，任何排氣裝置溫度夠高并擁有洗手間的交通工具都可以安裝使用。除了房車制造商，美國軍方也對此顯示出了興趣，其前方作戰(zhàn)基地常常燃燒價格高達400美元/加侖的航空煤油來應急處理污物。另一個有應用前景的領域是航空業(yè)，部分機型在衛(wèi)生間加裝零廢液污水處理系統(tǒng)后，可以在飛行過程中甩掉重達227公斤的污水。

　　

　　

　　沖浪趴板

　　    9.便攜式電動沖浪趴板

　　    名稱：凱梅拉趴板

　　    發(fā)明人：杰森·伍茲

　　    研發(fā)時間：8年

　　    研發(fā)成本：4萬美元

　　    杰森·伍茲19歲時給自己買了一艘二手快艇。幾個月后，他就覺得運輸和儲藏這個將近5米長的大家伙又貴又麻煩。他想要一艘可以隨時扔到車里然后帶到水邊的小船。不幸的是，世界上沒有這樣的東西。

　　    依靠在加州納帕新技術高中培養(yǎng)出來的動手能力，伍茲決定自己做一個。按照他的設想，這是一個由小型發(fā)動機驅(qū)動的碳纖維沖浪趴板，速度驚人，吃水深度只有15厘米左右，重量不到16公斤，一個人就能拖到水里。

　　    但要找到輕便的零部件頗費周折，伍茲最終從遙控船模配件商那里買到了微型射流泵。剩下的就是組裝了：他將一個現(xiàn)成的沖浪膝板沿吃水線切開，裝上射流泵、一個26CC發(fā)動機和一個遙控飛機使用的啟動裝置，然后用膠帶將外殼粘起來。“凱梅拉趴板”就這樣誕生了。雖然在水中前進得踉踉蹌蹌，但它還是發(fā)動起來了。

　　    此后，伍茲每年做一個新版本，除了不斷改進轉(zhuǎn)向和推進系統(tǒng)，還將排氣管挪到了吃水線以下的位置。第四個版本加入了碳纖維材料和手把，時速達到了24公里；使用者可以通過按鈕操控伺服系統(tǒng)讓射流泵來回移動，轉(zhuǎn)向則仍然依靠身體左右傾斜來完成。伍茲目前正在建造最新版本，它將使用電動和丙烷混合動力的四沖程發(fā)動機，時速有望達到40公里。

　　    據(jù)伍茲估計，量產(chǎn)之后，“凱梅拉趴板”基本版的零售價約為1000美元。

　　

　　

　　醫(yī)療鏡

　　    10.能照出健康狀況的“魔鏡”

　　    名稱：醫(yī)療鏡

　　    發(fā)明人：傅明哲

　　    研發(fā)時間：一年半

　　    研發(fā)成本：未公開

　　    2009年年底的一個晚上，正在麻省理工學院攻讀電子醫(yī)療工程專業(yè)研究生的傅明哲讓一些朋友坐到一臺手提電腦前，測試他新編寫的一個軟件，這個軟件可以把網(wǎng)絡攝像頭變成心率監(jiān)控器。他希望能夠讓醫(yī)生在無需觸摸燒傷病人或嬰兒的情況下檢查病人的生命體征，或者幫助人們更方便地追蹤自己的心血管健康狀況。雖然當時程序未能實時運行，但得到的監(jiān)控數(shù)據(jù)卻相當理想。

　　    一年半之后，麻省理工學院媒體實驗室里出現(xiàn)了一面大大的鑲框鏡子，這就是傅明哲設計的這個監(jiān)控系統(tǒng)的升級版。這個雙向玻璃鏡（一面是鏡子，另一面是可以透視的玻璃）后安裝著一個與手提電腦相連的攝像頭監(jiān)控器，站在鏡前，鏡面上就會顯示你的心率。換句話說，“醫(yī)療鏡”不僅能照出你的外表，還能照出你的內(nèi)在健康狀況。

　　    心臟在跳動的過程中，會向全身血管泵送血液。血液會吸收光線，因此，血管內(nèi)流動的血液越多，皮膚反射的光線越少。網(wǎng)絡攝像頭可以捕捉這種反射光線的細微變化，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機上，經(jīng)程序解讀后，便可轉(zhuǎn)化為心率讀數(shù)。研究人員一般使用高清攝像機追蹤這些光線的變化，但傅明哲希望借助簡單的網(wǎng)絡攝像頭，讓所有的電腦和智能手機都能化身為心率監(jiān)控器。為此，他開發(fā)了一套算法，能夠從攝像頭捕捉的所有反射光中分辨出心率的光線模式，并編寫了可實時處理數(shù)據(jù)的代碼，讓計算機即時生成心率讀數(shù)。

　　    傅明哲計劃今年年底將“醫(yī)療鏡”推向市場。他表示，這套系統(tǒng)也可用來監(jiān)測其他重要數(shù)據(jù)，包括呼吸速率和血氧濃度，這將使“醫(yī)療鏡”更具潛力。