De LEGO a láseres: los niños inventan las cosas más geniales

Jul 28, 2023

Los políticos y los expertos hablan sobre la ruinosa infraestructura de Estados Unidos. Pero un equipo de habitantes de Ohio con mentalidad científica quería hacer algo.

Eso es un prototipo: los elementos LEGO y los sensores láser demuestran el futuro del techo del almacén... [+] monitoreo de seguridad según lo previsto por los participantes del FIRST LEGO League Challenge 8 to Automate.

El cuadro de investigación en 2019 visitó a funcionarios locales en todo el estado y en su ciudad natal de Dublin, Ohio. Consultaron con expertos en construcción y entrevistaron a arquitectos, una mente-colmena-martillo en busca de un clavo.

Muy pronto, lo encontraron: un gran problema, pidiendo una solución.

Cada año, en toda América del Norte, aproximadamente 4000 techos planos, como los que se encuentran encima de los almacenes y almacenes, se derrumban bajo el peso de la nieve. El equipo ideó un sistema automatizado de detección temprana utilizando sensores láser de fibra óptica y se construyó un prototipo.

Por alumnos de séptimo y octavo grado. Usando LEGO.

"Nuestra investigación encontró que los derrumbes de techos planos son un problema del mundo real", dijo el líder del equipo, Malcolm Masri, de 13 años. "Necesitaba una solución única".

Ese que ha surgido ahora por cortesía de un grupo de jóvenes ambiciosos ciertamente puede considerarse único, sin mencionar impresionante e importante.

En muchas jurisdicciones, los códigos de construcción de techos planos se han modificado para tener en cuenta las cargas de nieve más pesadas. Pero muchos códigos no han cambiado e innumerables techos antiguos siguen siendo vulnerables. Estos requieren soluciones basadas en palas ad hoc, poco fiables, costosas y peligrosas. Una preocupación adicional: en un incendio en un almacén, los techos planos, generalmente en cuestión de minutos, se vuelven inseguros para los bomberos.

Masri, junto con algunos de sus compañeros de clase en la Escuela Secundaria Willard Grizzell, han creado un sistema de Herramienta de Evaluación de Deformación del Techo (REST) ​​pendiente de patente capaz de detectar cuándo las vigas de celosía abiertas comienzan a pandearse incluso levemente. Llamándose a sí mismos "8 para automatizar", adoptando una mascota de pulpo construida con LEGO, "Ocho", los niños de Dublin, Ohio, se encontraban entre otros 20 equipos semifinalistas, de más de 1,000 competidores en total, reconocidos en junio en la décima edición anual. Premios a la Innovación Global de FIRST LEGO League Challenge presentados por Disney. El equipo de 8 to Automate quedó en segundo lugar, uno de los dos finalistas.

El equipo ganador, Aldeatrón Robotix, proveniente de las Islas Canarias, España, diseñó bloques de construcción ecológicos con control de temperatura; el otro subcampeón, QuickBots, un equipo de Dayton, Ohio, inventó un agente de enfriamiento termocrómico para equipos de juegos hirviendo.

Parte de la comunidad de robótica, parte del canal de suministro de talento STEM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas), la organización sin fines de lucro FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology) es una creación del inventor y empresario Dean Kamen.

Lo comenzó para alentar e inspirar a los estudiantes de K-12, y no solo a los llamados superdotados, a buscar educación STEM y seguir carreras en estos campos. Uno de varios programas prácticos de FIRST, FIRST LEGO League (de la cual LEGO Education es socio fundador) comprende a más de medio millón de estudiantes en más de 110 países.

Se construyen los fundamentos de ingeniería, ladrillo LEGO Duplo por ladrillo LEGO Duplo. Eventualmente, los participantes del programa se ramifican en campos relacionados, incluida la robótica. Los estudiantes comienzan en PRIMERA desde prekínder y aumentan gradualmente en habilidad y nivel de competencia. Masri comenzó a los 9 años. Sus compañeros de equipo, Arwen Zhang, Sathvik Allipuram, Sai Rishik Lingam, Liam Swayne, Maxwell Imamura y Anya Zhang, eran una mezcla de recién llegados y veteranos de la FIRST LEGO League. El padre de Masri, Farid, ingeniero mecánico, es uno de los 300.000 voluntarios de FIRST, al igual que su madre, Judi. Ambos brindan su tiempo como mentores en el equipo 8 to Automate.

"Durante los últimos cuatro años en FIRST LEGO League, ha sido maravilloso ver a los estudiantes desarrollar habilidades de investigación profundas", dijo Judi Masri, quien investiga acciones globales como administradora de cartera de fondos de pensiones estatales.

"Estudiar un problema en profundidad desarrolla el pensamiento crítico", dijo. "El sentido de liderazgo, la confianza en sí mismos y la capacidad de comunicación de nuestros estudiantes han crecido enormemente. Estas habilidades se trasladarán a su educación y carreras".

Kunaal Gudavali, estudiante de secundaria, también asesoró al equipo 8 to Automate. Como muchos mentores, es alumno de FIRST LEGO League.

Sin duda, los ancianos reforzaron el proyecto, proporcionando una viga de apoyo clave; pero los niños soportaron la pesada carga. Todo el trabajo en el prototipo fue realizado por los estudiantes, con la excepción de un aserrado eléctrico para cortar el material a medida y la configuración de una impresora 3D. También se debe subrayar que los elementos LEGO se incorporaron por diversión y como un guiño a su influencia formativa a lo largo de los años, pero también como una forma de animar más completamente el almacén de modelos. En cuanto a los demás elementos, por su parte, no hubo juego: las columnas de madera, cortadas y pintadas, se fijaron a la base mediante soportes impresos en 3D; una lámina de policarbonato transparente, revestida con una membrana impermeabilizante de PVC, se aplicó en la parte superior como un techo que permite una vista superior de las cerchas; una fuente de luz láser de fibra óptica demostró cómo se implementaría un sistema real.

De la organización FIRST, fundada en 1989, Kamen ha dicho: "Los niños a menudo llegan sin saber qué esperar, del programa, ni de sí mismos y se van, incluso después de una temporada, con una visión, confianza y un sentido de que pueden crear su propio futuro".

En pleno verano de 2020, con todo lo que está pasando en el mundo, pocos se fijan en la proliferación de cubiertas planas susceptibles a cargas de nieve distribuidas de manera desigual.

Sin embargo, hay un enfoque renovado en todo el mundo sobre cómo los niños aprenderán en el futuro. Los programas competitivos y prácticos como FIRST son una forma divertida y emocionante para que los estudiantes aprendan los tipos de habilidades que no siempre se enseñan tradicionalmente, dicen los educadores.

Impulsados ​​por FIRST LEGO League y su propia maravilla infantil, estos estudiantes pudieron descubrir lo que las compañías de seguros, los funcionarios de seguridad pública y los constructores han sabido durante décadas, es decir, cuántos techos planos fabricados a bajo costo están en riesgo; aún no se conoce completamente: cuál es la mejor manera de abordar el problema.

Cada año, los techos que cubren los edificios estadounidenses (almacenes, tiendas, pero también estacionamientos, estadios cívicos, iglesias, escuelas e instalaciones de atención médica) envejecen y pierden viabilidad. El desgaste gradual del material puede acumularse a lo largo de los años como un ventisquero de dos metros y medio de altura en el estacionamiento de un centro comercial de Cheektowaga, Nueva York.

La tecnología de detección de fibra óptica se ha utilizado para controlar la tensión a lo largo de los años con el uso de algunas generaciones de tecnología, pero el equipo de 8 to Automate estaba decidido a crear algo innovador; un sistema que podría detectar la carga más pequeña, continuamente, en todo el techo (no solo una muestra de puntos dispersos considerados críticos) y, lo que es más importante, podría implementarse rápidamente, a bajo costo en cualquier edificio, similar a instalar alarmas de humo (a diferencia de un trabajo extenso de adaptación). Esto los llevó a investigar sensores basados ​​en rejillas de bragg de fibra (FBG), rejillas microscópicas que actúan como espejos, a través de los cuales viaja la luz. A medida que se tensa la fibra, cada espejo refleja una parte de la luz, enviando la información de regreso a un sistema informático que convierte e interpreta los cambios minúsculos que indican incluso el más mínimo compromiso de la viga de armadura abierta.

Los propietarios de edificios pueden recibir alertas no solo sobre cuándo es el momento de buscar una solución de remoción de nieve, sino también en qué áreas enfocarse.

Además del daño a la propiedad causado por los derrumbes, existe el costo adicional de que los seres humanos se lastimen rutinariamente por resbalones y caídas. Además, palear demasiado, o palear ejecutado de manera subóptima, puede, como resultado, exacerbar un accidente estructural en espera: el raspado de la pala daña la membrana de impermeabilización crítica del techo, lo que contribuye al potencial de peligrosas condiciones de derrumbe.

Los sensores de fibra óptica son mejores que las galgas extensométricas eléctricas convencionales o las celdas de carga porque son más livianos, requieren menos energía, son resistentes a las interferencias electromagnéticas, tienen mayor sensibilidad y son más fáciles de instalar, dijo Jim Blake, profesor de Ingeniería Eléctrica y Fibra Óptica. en Texas A&M University, y también presidente de Grid Evolution Technologies.

Según Farid Masri, al menos un experto en administración de techos había informado al equipo que no existe un sistema confiable de monitoreo de carga de luz láser de fibra óptica en techos.

(De izquierda a derecha) Sathvik Allipuram y Maxwell Imamura del equipo FIRST LEAGO League Challenge, 8 para ... [+] Automatizar, trabajar en algo más que un proyecto de ciencias de la escuela primaria, pero nada menos que una solución importante para los numerosos planos de la nación. -estructuras de techo.

Después de probar su prototipo con la ayuda de ingenieros de la Universidad Estatal de Ohio, el diseño requirió un ajuste final: los sensores de tensión se colocarían en todo el techo con cinta de poliimida, con un microcontrolador incrustado debajo del centro del techo.

El sistema recientemente inventado podría representar una solución a un problema de larga data, dijo Anthony Massari, profesor de ingeniería civil, ambiental y geodésica en OSU y quien prestó su opinión.

“Aunque los códigos están mejorando para hacer que los edificios sean más seguros, siguen siendo un compromiso entre la seguridad y los costos”, dijo Massari.

Los estándares de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE) se han actualizado para adaptarse a cargas de nieve más pesadas, pero no todos los edificios utilizan este nuevo estándar. Un pie cúbico de nieve puede pesar hasta 21 libras, con variaciones de densidad y espesor debido a la deriva y el derretimiento, por lo que una simple inspección visual no es efectiva, dijeron los expertos.

Aproximadamente $ 4 mil millones en reclamos de seguros cada año están asociados con derrumbes de techos, según estimaciones de varios grupos comerciales de la industria. Al menos una cuarta parte, y quizás hasta las tres cuartas partes, de estos incidentes se deben a la nieve oa una combinación de nieve, viento y lluvia. La mayoría de los reclamos están relacionados con derrumbes de techos en general; pero también incluyen la reparación del techo, así como la pérdida de ingresos comerciales.

En su investigación, los estudiantes de ingeniería de 8 to Automate se enteraron del colapso del techo de un almacén en 2015 en las cercanías de Groveport, Ohio. Alrededor de 70 empleados estaban adentro en ese momento; por suerte, nadie resultó gravemente herido. Sin embargo, millones de dólares en bienes quedaron enterrados en la nieve y los escombros, sin poder ser rescatados.

Se ha producido la pérdida de vidas. En febrero de 2006, el techo de una sala de exposiciones en la ciudad polaca de Katowice se derrumbó bajo una fuerte nevada, matando a más de 60 personas.

Los estadios deportivos han tenido algunos derrumbes notables pero afortunadamente no fatales a lo largo de los años.

En enero de 1978, después de una tormenta de nieve de diez días, el techo del Centro Cívico de Hartford se derrumbó apenas seis horas después de un partido de baloncesto de la Universidad de Connecticut. Por un giro del destino, el equipo que normalmente habría estado adentro (convirtiendo la cancha en una pista de la NHL) se encontraba en medio de un descanso de tres días seguidos una vez al año.

Antes de su demolición hace seis años, el Hubert H. Humphrey Metrodome, hogar de los Minnesota Twins y Vikings, soportó una serie de colapsos de su techo inflable, hecho de fibra de vidrio/tela recubierta de teflón, incluido uno en 2010 capturado por un CBS equipo de la película.

Ese mismo año, el ILT Stadium Southland en Invercargill, Nueva Zelanda, vio colapsar su techo después de una fuerte nevada. Nadie resultó herido, pero el lugar de usos múltiples estuvo fuera de servicio durante cuatro años (desplazando a los Southland Sharks de la Liga de Baloncesto de Nueva Zelanda) hasta que se pudiera construir una nueva instalación.

Los municipios de las regiones propensas a las tormentas invernales han soportado algunas condiciones aterradoras con múltiples derrumbes en toda la región, lo que ha exigido a los socorristas.

El invierno pasado, a lo largo de Minnesota y Dakota del Norte, una malvada mezcla de nieve, aguanieve, lluvia y viento de la madre naturaleza creó una nevada pesada y peligrosamente húmeda, lo que provocó el derrumbe de varios techos. El techo de la iglesia católica St. Francis de Sales, en Moorhead, Minnesota, se derrumbó, un domingo por la mañana, cuando cientos de personas habrían estado en los servicios que, gracias a Dios, se cancelaron.

En Buffalo, Nueva York, en 2014, una extraña tormenta del fin de semana de Acción de Gracias trajo (en algunas secciones, hasta) dos metros y medio de nieve y provocó al menos una docena de derrumbes en toda la ciudad. Las condiciones anormales, incluso para Buffalo, provocaron evacuaciones de al menos un hogar de ancianos y varias comunidades de casas rodantes. Luego, las condiciones empeoraron, cuando el clima se volvió más cálido, creando cargas de nieve más pesadas y húmedas. Los temores del peor de los casos no se cumplieron, pero los residentes y dueños de negocios soportaron unos días aterradores.

Los códigos para residencias y negocios, especialmente en lugares nevados, son más estrictos en contraste con los almacenes donde son menos estrictos. Eso es porque, en esa ecuación costo/seguridad, se supone que hay menos probabilidad de que una vida humana esté en riesgo.