MIT 机械工程系系主任陈刚:MIT 的工程师们在发明和创造什么?

摘要

世界顶级的工业领域学者们都在做些什么?

在本届极客公园创新大会(GIF 2017)上,我们有幸邀请到了 MIT 机械工程系系主任陈刚教授。以下文章是陈刚教授的现场演讲实录。


大家早上好!

刚才,我被介绍的是:MIT 的科学家在想些什么,我想做一点小小的更正,我想谈的是:MIT 的工程师在发明和创造什么。因为我们是机械工程系,因此我想和大家分享一下我们在机械系的科研和创造。

首先,让我从 MIT 开始。大家都知道,在美国西海岸有硅谷,但我想并不是每个人都知道,在东海岸与之竞争的 128 走廊。128 走廊,是环绕波士顿的高速公路。大家可以看到,高速公路叫 95,也叫 128。在这条高速公路周围,遍布了高科技公司。这主要是因为,有 MIT 和很多高校的存在,在波士顿河的对岸是剑桥这个小城市,这个小城市里有 MIT,也有另外一个小学校叫哈佛大学。

MIT 是很小,大家可以看到,面积只有 0.67 平方公里,这跟中国的很多大学相比,我们只是小小的一点儿。只有 1 千个左右的教师队伍,总共有 1.1 万名学生,因此总的来说我们是很小的。

但是,在 MIT 的历史上,出过 75 位诺贝尔奖得主,目前在学校的还有 10 位,大家可以看到我们有很多工程院士、科学院士、医学院士。因此,这些数据说明我们的基础研究是非常的领先和优秀的。

但是我同时还要讲的是,由 MIT 校友创立的公司仍然在活跃的有 3 万多家,这些公司的年产值在 2 万亿美金以上,如果按一个国家来排的话,MIT 能排到全世界第 10 位,因此它产生的社会效应是非常的巨大的。

我们下面看我们的机械系,我想问一下现场有多少是机械系毕业的?也有几位,大部分人都是做 AI 的,我想和大家说的是,我们的机械系不只是做机器的,不只是做设计制造的。当然我们有设计和制造专业,但我们包罗的学科是非常广的,你到中国一个大学,我们包罗的可能有中国的十几个院系,从力学到控制机器人到能源和环境,甚至包括海洋、生物工程、微纳米技术。我们只有 70 个教授,我们的研究生大概有将近 600 人,博士后有 100 多人。

因此实际上师资并不是那么多,因为我是机械系的系主任,我们产生的效应是很大的。我给大家介绍两位教授。

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第一位是 Yanni Yannas,他在 2015 年被选入美国的发明家名人堂,他的发明是人造皮肤,这项发明在一九七几年开始,到了一九九几年全世界大量开始使用。全世界烧伤病人的皮肤再生,就是用他这个产品,这是救死扶伤的发明。

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另外一名 Ely Sachs,现在大家叫的 3D 打印,这个名字就是他起的。他是在 80 年代末、90 年代初发明 3D 打印,现在,已经有各种各样形式的 3D 打印在改变我们这个社会,因此我们的研究就是要解决人类面临的重大挑战。

现在我们看看人类面临的重大挑战有什么?

第一,全球变暖。这个大家可以看到,自从工业革命以后,现在地球上的二氧化碳含量远远超过自然的排放,因此全球变暖正在加速,我们人类面临着巨大的危机,这是一个重要的挑战。

第二,人口的挑战。我们中国有很多人,目前全世界是 75 亿人口,到 2050 年,人口会增加到 90 亿人,这些新增的人口是超过目前中国的人口的。大家想一想,这些新增的人口最需要的是什么?大家当然都有 AI,都有手机,但是大家要生活的话,需要吃的,要有喝的,还要有能源。

因此对我们来说我们的战略就是要在这些方向上创新,我们通过设计和制造来解决全球的持续发展。

因此我下面要用一些比较具体的例子在这些方向上给大家展示一下。

用材料改变世界

这是 3D 打印,刚刚讲到 3D 打印是 Ely Sachs 命名的,但是关键问题是怎么打得快。因为 3D 打印目前现在还是比较慢的,我们年轻的 John Hart 教授在设计 3D 打印的机器,可以让它打印 10 倍。

这个主要是材料挤出的时候的速度可以精确的通过加热来控制材料的排放速度,这样可以把 3D 打印的速度增加 10 倍。

下面一个例子,是一个叫爱莫斯的人,在印度,他的目标就是把这个技术的成本降低。我们知道一般产品,它的性能越好,它需要的价格就越高。

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因此到不发达地方,大家只能买一些很便宜的但是性能很差的产品,他的目标就是要提升性价比,这样的话,大家可以用很便宜的价格买到高性能的产品,发展中国家的不发达地区的人也可以享受到同样的优质生活。

大家看到这个轮椅就是很好的例子,这个设计实际上很简单,在前面加了两个杠杆,而且抓杠杆不同的位置就是它的变速箱,这两个杠杆将轮椅的效率提升了 60% 。他首先在印度成立了一个公司把这个产业化,现在又把这个产品带向美国这个市场,而且价格降低了很多。

这个教授非常善于发明创造,做各种各样的设计。还有假肢,高性能假肢在美国一个要四五千美金,他的目标是要把这个做到一百美金以下。这个产品当然还没有产业化,但是设计已经很好了。因此,这就是通过我们的创新设计来改善人类的生活。

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这位艾丽斯教授,他在给奥巴马讲这个风机,这个发明创造以前用的最多的就是高速水切割机。很多产品用它这个技术,但是他现在在致力于更深入的研究。他在给奥巴马讲他的风机可以做出比别人高出一百米,高了有什么好处?高了风大,发的电能就多,同一个地方目标要高出几倍的电能。

大家对电动车很感兴趣,我们系也有很多电池的研究,从电池的基础材料,到电池的安全。我这里显示的是储热除冷,这位教授叫Evelyn Wang。如果我们开电动车同时开空调的话,你开车的距离会缩短 30% 多,这个时候因为它需要电能,那她在研究的技术是怎么样把热和冷储存起来,你在开车的时候不需要电。有时候我们叫热电池,实际上它就是储热、储冷的装置。他用纳米材料的吸附过程,把水蒸气吸附到纳米材料的时候要放热,在吸附的过程中,水一边要蒸发,蒸发的地方要冷却,这样同一个装置就可以共热,可以共冷。现在正在跟美国的一个大的汽车公司研究能否应用。

水与食品安全

我们在 MIT 的话,还有一个大的方向,就是水和食品的安全,我刚才讲到人类需要的能源、食品和水,这是最基本的需求,我们世界水和食品安全实验室,就是从我们水的研究过程中形成一个全效的过程,由我们的江明翰教授来领导。

因此我们水研究现在也很多,我就给大家举两个例子,这两个例子都跟我有点关系。

第一,在一个日照下把水烧开,我们主要想用太阳能做海水淡化和污水处理。大家想如果我有一坛水的话,太阳光是照在水的下面去的,进到水的表面,因此这一坛水温升很少,水的蒸发量就不高了,但是我们在表面上防一东西,把太阳的能量集中在水的表面,这样我们就可以很快的增加水的蒸发,甚至我们可以在一般的太阳下把水烧开。人类从猴子变成人,就是因为我们怎么用火,但是我们现在可以在一个日照下把水烧开。

第二,我的一个印度学生,他去做 CEO,这个学生做他的博士论文的时候,就是发明了一种用油来脱盐的方法,当时美国的科学人杂志还发了列为当年十大「改变人类想法」之一。这就是非常想把他的研究用到改善人类中。但是当时他说海水淡化方法竞争不了,他就跟商学院的学生一起上课,上了课就发现在石油开采的页岩气、页岩油的过程中有大量的水没有及时处理,他毕业以后就把这个技术和另外一个教授的技术结合起来,两个学生就出去开了公司,现在已经做的非常成功了。三年多,他们已经做了好几个水处理厂。

这个很有名,每个人都有倒蕃茄酱的感觉,把这个蕃茄酱倒出来,和大家平常倒蕃茄酱可很不一样了。这个教授是从 GE 招过来的,他主要是做兔屏里面的涂层。他说他太太总说,你做的东西没什么用。他为了讨好太太,把这个涂层做到蕃茄酱的瓶子里面,这个东西一放到网上,他说有几千个工程师来找他,大家东西都倒不出来。

你可以看看,无论是芝麻酱还是牙膏,尤其倒啤酒是倒的出来,但是都流走了。你们可以看看下面这个,现有的瓶子和他的瓶子的区别。大家挤牙膏的经历都有,尤其是啤酒,厨房里面有 10-20% 的食品是倒不出来扔掉的,有人觉得这对化妆品太有用了。

比尔盖茨找到他说,我想把这个用到瓦格森(在非洲给人提供免疫能力的药)里面去,把这个药倒出来。

我希望有一天,你们在家里都会用到这个东西。

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无人驾驶,这个也是很热的,这个教授叫琼雷浪,他以前是我的副系主任,这是他七八年前做的无人驾驶。这是美国国防部的竞赛,大家那时候都是用 Google 地图,他是用边驾驶边建图的叫 SLAM 的技术,这是他做博士就开始做的技术,现在丰田把他找了过去,所以我得重新找个副系主任,但是他仍然在我们系里给我们做无人驾驶的研究,但他同时在帮丰田做这个技术。

这是水凝胶的赵煊赫(音译)教授,他手里拿这个东西,95% 都是水,但它的机械强度可以和人的软骨相比,这个可以有很多用处。到了国内,很多做膏药的公司找到他,因为中国很多人喜欢贴膏药,贴了很舒服,这在柔性电子方面也有很多用处。

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最后一个是我们本科生的课程,这个学生,大家都知道用铝锅来装水,但他用铝来做燃料,这是怎么回事呢?铝之所以能装水,是因为表面上有一层很稳定的氧化铝,如果把氧化铝去掉的话,铝和水会发生剧烈的反应,就像蜡到水里一样,产生氢气。

这个学生,通过这个课,做了第一个他们的项目。美国海军给了他们 20 万美金,通过一个学期来改进水下无人潜艇,可以把航程增加好几天。现在,这学生出去开了公司。又有汽车公司找到他们,说用铝做燃料,可以从波士顿那边驾驶到西海岸。

这个教授教这个课很有意思,他说我的工作很简单,我每个学期只要指定一个学生做 CEO 就行了,整个课程就像公司一样来运行。因此,已经有学生出去开公司,下面我相信他们会有更多学生出来。

那我就想,用这样几个例子,给大家看一看,我们在 MIT 的机械工程是怎样在发明和创造的。当然,我们也在做非常基础的科学研究。但是,我们喜爱把我们的科学研究带到实践中去,改善人类的生活。

谢谢大家!

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