世界上最炫酷的大学实验室

上一篇 / 下一篇  2010-09-27 11:28:51

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  【摘要】也许人们对实验室的印象还停留在显微镜、培养皿、穿着整洁白大褂的怪博士上,而有些地方却未必如此。除了抛射物体外,风科学与工程研究中心碎片撞击测试实验室的学生也亲身投入到真正的龙卷风和飓风中。
   【正文】在这里,学生可以学习如何爆破建筑物,设计烟花,从石场壁上平滑地炸掉片石,在摇滚音乐会上燃放烟火,并为电影施放火焰特技。该课程的筛选过程 严格程度可以与美国中央情报局媲美。考生必须提交一份详尽的背景审查材料,非美国公民可能还要通过烟酒火器局审查。密苏里科技大学还设有炸药工程的科学硕 士学位,是美国该类别的首个正式课程。科学硕士的课程包括从聚能装药、能够在金属上切割或打孔小型精密炸弹,到军事中的爆炸缓和技术,再到为了更好地采矿 而改变地震

   整个夏天,有风暴经过时,雷电实验室的研究人员和学生24小时全天候工作,以触发雷电。一条细导线连接到火箭上作为一个导火索,诱发雷电通过所谓的等离 子体通道到达接地的金属发射台。该实验室的传感器网络帮助解决有关雷电的奥秘:例如每次雷击的独特电磁场的成因,或者一次直击将如何影响地下电缆。但触发 雷电并不像想象的那么容易。实验室共同主任弗拉基米尔·拉科夫(VladimirRakov)说,每个夏天,如果学生们能触发40次雷击就算幸运的了,而 其中多次触发成功可能是在同一风暴期间。五年前,雷电实验室的学生们协助作出了10年间的最大发现之一:大多数雷电都释放出X射线。今天,学生们仍在试图 弄清楚其成因,通过建立新的X射线传感器网络。

   在美国国家碰撞分析中心,每个学习运输安全研究生课程的学生将得到一辆汽车,以及一张拆卸说明书,教你如何将车子拆得支离破碎。然后,学生在计算机中重 建车辆模型,并一次又一次地撞毁它。学生也协助进行真正的碰撞测试。该实验室与汽车制造商以及运输部合作,以确定汽车和路边设施(如路灯杆,栅栏和标志 牌)的安全标准。现在的课程对准的是高速公路最近面临的一个问题:数量庞大的越野车,小型货车和其他小型卡车。学生们试图解答这个问题,公路栅栏这样的路 边设施是否应该随着可能会撞向它们的车辆的大小而改变。

   每年,20名航空和机械工程专业的学生可以用8个月时间来设计,建造,和试飞火箭,到5280英尺的。飞行高度可达1609米。业余爱好者的火箭,飞行 高度通常低于304米(并且需要获得美国联邦航空局的许可)。去年的学生建造了约16公斤重,约2.6米长的碳纤维火箭,搭载有先进的数据收集系统。火箭 的整流罩内装有一个摄像头和航空电子设备,来记录火箭的飞行路径和其他资料;在尾端,装有温度和压力传感器。学生可以拿火箭参与美国航天局赞助的学生火箭 发射竞争,并提交一份报告给航天局的科学家和工程师,就像一个公司竞标一份合同一样。虽然这次报告只是一个学术活动,一些火箭团队的校友留下来继续为 NASA工作。美国航天局的马歇尔太空飞行中心和阿拉巴马大学亨茨维尔分校就在一条街上。“在这里,学生整天玩火,摆弄炸药,”工程教授莫泽说。“没有比 这更让人羡慕的了。”

   今年道森实验室的研究生和博士后的课程表有点像延长的春假,包括水肺潜水、浮潜和速划,到诸如墨西哥湾、加州海岸和帛琉群岛之类的海域。但他们的工作却 非同小可,试图解开进化生物学家迈克尔·道森(MichaelDawson)称之为“海洋的黑暗能量”的奥秘。该实验室也正是以这位科学家而命名。道森和 他的门生们希望能解开世界海洋的一个最令人费解的问题:他们的能量是从哪里来的。海洋混合,是湍流和海流重新分配热量,使氮、碳和其他元素从一个水体到另 一个水体的过程。但是,科学家们已经完成的计算,与海洋混合的程度相比较,发现海洋一定还从一些不明来源获得了额外的能量。一个可能的来源是水母。在群体 里,小动
  
物 的动作也有可能会产生严重的影响。帛琉群岛的水母湖,约15,000年前被隔开的一个4.85公顷的内陆海,现在是百万计的水母群的栖息地,这里是检验该 理论的完美实验室。如果动物在这里造成的湍流具有足够强的混合效果,那么在海洋中有可能发挥了同等效力。去年,道森的团队和加州理工学院的合作者,由美国 国家科学基金会资助,首次提出了水母群湍流和海洋能源之间的联系。每月,学生花费6至10小时在水中,在水母群每日两次的跨湖迁移之时,游弋在近旁,测量 微小漩涡的速度。它是世界上少数几个研究人员可以如此接近整群水母的区域之一。

   除了抛射物体外,风科学与工程研究中心碎片撞击测试实验室的学生也亲身投入到真正的龙卷风和飓风中。飓风来袭之前,德州理工的学生在现场建立一个流动研 究中心,进行几十项测量,包括风速和风暴眼的强度。他们的仪器是风暴中唯一能保持完好无损的,现在风科学与工程研究中心拥有唯一一份卡特里娜飓风登陆时风 暴眼强度的完整记录。基于实验室测试和风暴期间及之后的灾难现场数据,该中心还建立了更准确的龙卷风技术测定方法,称为增强的藤田级数 (EnhancedF-Scale)。它反映了最近的发现,低速风造成的破坏比之前预想的要大。当学生不沉浸在毁灭性的飓风中时,他们设想如何使风力发电 效率更高或设计能更好地抵御飓风的房屋。

   就像科罗拉多州立大学博士后萨钦·乔希(SachinJoshi)所说的,没有爬进去过,你就不算真正见过发动机。在发动机和能量转换实验室,学生对两 层楼高的工业用发动机进行改造。其中最大的一台是2冲程,440马力的燃烧发动机,通常用于压缩并推动天然气通过地下管道。在实验室17年的历史中,它单 为这一类型的发动机开发的技术(包括现在普遍使用的燃油喷射系统)实现的氮氧化物减排量,就等于高速公路上的1.20亿台现代汽车的排放量。乔希和他的学 生现正研究一台17吨卡特彼勒(CAT)天然气发电机,可以提供足够1200户家庭的电力需求。公用事业要将一台1.8兆瓦的机器接到城市电网上(节省在 运输途中消耗的能量),所以他们需要清洁运行。卡特彼勒捐赠了一台给发动机和能量转换实验室。该小组已建立了一个点火系统,将一束激光通过光纤缆送往光学 火花塞。它的燃料燃烧效率比储能型点火系统更高,而氮氧化物排放量较少。

   平均有20位学生争取1个志愿者的名额,以求在世界上最活跃的火山工作和生活。一次最多有8个学生住宿在国家公园的小屋中,在破晓前起床,徒步进入废 墟,绘制可能很快会渗出熔岩的地区的地图。这项工作的意义在于帮助研究人员测量了一些极其剧烈的地下行动,包括由地下岩浆流造成的地形隆起以及熔岩**造 成的地震活动。主管科学家吉姆·卡西卡瓦(JimKauahikaua)说,对于很多学生来说,这是他们第一次的火山工作经验,这种经历将改变他们的生 活。”

   卢克·施米克(LukeSchmick)已经有一个相当酷的工作,那就是教宇航员如何操作航天飞机。什么能比这个还酷?“从零开始设计一架航天器,”参 加过世界上唯一的太空建筑研究生学位课程的5名学生之一,今年24岁的兼职工程师说。总有一天,会有能带我们飞上太空的飞行器,然后随之而来的是,我们将 需要在行星外生活和工作,这就是在NASA及其承办商的委托下,世川国际太空建筑研究中心的学生要设计的内容。“与地面建筑相比,这项设计工作需要更多的 工程技术诀窍,”NASA的月球居住系统的主管和世川国际太空建筑研究中心的校友,拉里·图普斯(LarryToups)解释说。“比如,学生必须了解和 因数化六分之一重力在人体工程学上的影响,”他说。另一个挑战是保护船员免受太空强辐射的影响。学生为地球轨道设计了一个可扩展的充气实验室。他们为火星 常设基地的所有组成部分建造了模型(一部分数字,一部分物理)——包括居住舱、研究实验室、水耕花园,甚至是地面探测车辆。

  今年秋季,学生将进入零下27摄氏度的实验室,对深冻的物体进行研究。其中一个项目,是观察南极3.2公里之下取出的25万年之久的冰芯中的生命。其他的研究项目包括:冬季保持道路无冰的最佳方式;雪的移动过程,以更好地预测雪崩。

  威斯康星州国家灵长类动物研究中心拥有1300只猕猴,该中心的目的是观察猴子,进行生物医学研究,并且在生物医学和动物行为学领域都取得了突破,如社会行为和老化,以及艾滋病和帕金森症研究。学生协助干细胞科学家对人类和猴子胚胎细胞进行研究。

   实验室的主要目标是为36米长的屏幕设计交互式视频。在该实验室里,学生为36米长,高解析度的屏幕设计交互式视频,该屏幕位于建筑师法兰克·盖瑞 (FrankGehry)设计的纽约InterActiveCorp大楼里,通常用于展示艺术和广告。一个学生项目利用蜜蜂蜂拥至鲜花的动画,将复杂的股 市数据形象化。

   为完成这个18个学分的辅修课,科罗拉多矿业学院学生学习的课程,主要是接受人道主义工程的挑战,包括地下水地图和可持续能源系统。该计划开设的部分原 因是回应业界对有文化意识的工程师的需求。大四期间,他们有机会参与海外或国内的人道主义设计项目,比如在美国印第安人居留地。最近的一个项目找到了一种 在厄瓜多尔农村产生电力的方法,利用村民可制造及保养的部件。另一个小组开发了一种在加纳使用的移动自行车泵,帮助农民获得灌溉用水。

   该实验室的学习方向是为尼泊尔早产儿开发低成本的保育箱。在进军尼泊尔、印度和缅甸之前,学生们开展研讨会,讨论包括焊接、塑料和金属成形、缝纫以及财 政等问题,以确定一个本地化的问题,并找出工程解决方案。以2007年学生团队设计的婴儿保育箱为例。这主要针对每年在边远地区出生的2000万早产和低 出生体重婴儿,其价格仅为25美元(标准医院保育箱成本2万美元)。现在这家名为“Embrace”(含义为“拥抱”)的副产品公司生产的这种保育箱,看 起来像一个睡袋,但包含一个密封袋,其中用无需使用电源或运动部件能够调节体温的材料填充。另一家公司,D.light设计公司的前身是2006年的一个 学生团队,正致力于向缺乏电力供应的全球16亿人推广LED灯具,以替代有污染的煤油灯。

  该课程利用了搜寻地外文明家庭计划(SETI@home),这是一个由数以百万计的普通个人电脑通过网络连接成的超级电脑。它分析从射电望远镜得到的数据,从中搜寻智慧生命的信号。伯克利分校地外智慧生命搜寻实验室的学生帮助改善搜索算法和完善连接所有电脑的软件。

   学生穿上宇航服,在中性浮力水槽中对新一代宇航服或空间和深海机器人进行低重力或零重力测试。马里兰大学15米直径,36.7万加仑的水槽是全美仅有的 两个试验设备之一,在大学里是仅有的一个。毕业的学生们继续相关的工作,为国际空间站和卡西尼和麦哲伦行星探测器等服务。

   研究方向是:向传染病专家学习传染病病原体美国全国新发传染性疾病实验室是波士顿大学的新设施,达到4级生物安全水平,于今年开放,是少数可以对埃博拉 及天花等传染性杀手进行研究的实验室之一。本科生也可以在最先进的实验室中进行病原体研究,向世界上优秀的传染病学家学习。

   在北卡罗莱纳州洛基山发现了埃奇库姆连环杀手的第六个受害者门牙骨骼的几个月后,法医人类学家安·罗斯(AnnRoss)和她的一个学生把焦点放在了一 颗门牙上。从它所得到的信息是其他研究无法取代的:第一手数据。当接到新的案件后,学生帮助罗斯恢复骨骼和收集数据,他们考虑的因素包括保存条件,如在冻 结的池塘,或暴露在阳光下,所有这些都可以帮助确定死亡时间。学生的工作大部分,包括本科生,是分析身份不明的遗骸以建立所谓的生物学特征。要建立祖系, 他们使用罗斯参与开发的三维软件查看面部结构或映射头骨。“这是让学生们感兴趣的神秘之处,”罗斯说。“但我认为是那些再也不能保护自己的人们的声音让他 们留下来的。”

   大学本科生杰姬·图勒(JackieTroller)计划将明年夏天大部分时间花在一艘有几世纪旧的沉船上。她将在离大岛西部海岸914米的皮艇上扎 营,到毛伊岛潜水,探访一艘在1917年触礁的汽船的遗骸。这是海洋选择课程的苦差事之一。海洋选择课程听起来就像地中海俱乐部的旅行计划:浮潜、潜水、 划船、观鸟,甚至为大海作画。所有专业的本科生可申请16学分的课程,这项实地训练相当于一门辅修课。海洋选择课程为学生准备好了任何海底探险项目;高年 级的克里斯蒂安·克拉克(ChristianClark)现在为学校的鲨鱼实验室安装水下设备。“工作时,会有30到40条鲨鱼在你身边游来游去,”克拉 克说。像许多校友一样,他希望成为一名科学潜水员。

   宾夕法尼亚州立大学的课程关注的不仅仅是产品,而且包括创造的就业机会。目前在肯尼亚的一个项目中,学生与社区居民一起工作,用当地农作物制作生物柴 油,并使用该燃料,来驱动低成本便携式发电机(也由这个项目设计),以为该村生产电力。剩余的燃料将出售给外部市场,为该社区提供一个稳定的收入来源。

   现在一个汽车工业的学位似乎不那么热门了,但创新研究学院是从现代到菲亚特等汽车公司,资助项目以实现他们最具前瞻性的概念设计的地方。它也比其他机构 聚集了更多汽车行业的设计师;校友包括丰田、通用、日产和奔驰的设计部门主管。去年,现代用未来绿色汽车挑战前辈时,陈董(音)特别设计了一台野心勃勃的 汽车:带风力涡轮的空气动力学氢燃料汽车。一个氢燃料电池为4个独立的枢纽式电动马达供电,由风力涡轮转动时带起的空气冷却。“该凉越好,”陈说。“可以 散热延长寿命,提高效率。”陈采用3D建模方案展示他的概念车,但是学生往往还是用建造等比例原型的方式。今年,学校新设了一个运输设计硕士学位,是美国 少数的几家之一,并且将结合设计商业课程。

   在劳拉克劳福特大厦,一个5295平方米的公元前10世纪堡垒的三维虚拟现实模型被投影在五边形的空间中。StarCAVE是世界上最先进的虚拟现实空 间,有34个***度投影仪在用户周遭投影图像,让人完全沉浸虚拟环境里。使用手持式控制器,可步行通过建筑物,旋转工艺品,或从模型上空来次鸟瞰飞行。 学生每次花费1个月的时间调查和记录约旦真实现场的立体数据。在圣迭戈,他们利用这些数据建立整个要塞的虚拟模型。“这座巨大的堡垒的用途是什么,还是一 个未解之谜,”研究生凯尔·纳布(KyleKnabb)解释说。“我们希望能在CAVE里发现答案。”

   占地40平方公里的含能材料研究与测试中心坐落在沙漠荒野的无人区,如此偏远的好处时,一天之内可以进行几十次爆炸物测试。该中心建立于第二次世界大战 初期,是该国最重要的炸药研究实验室之一,拥有一切必备的设施,从地雷嗅探机器人训练场地,到供学生炸毁汽车、坦克和建筑物的区域。典型的实验室包括将数 千磅的硝酸铵包裹在碳容器周围以制造工业钻石,或研究暴露在真实的爆炸中时,建筑物和物质的安全性。学生参与到研究的各个方面中,包括实施爆破,分析数 据,以及构想新的测试方案。

  在2003年,犹他州州立大学在世界上首次克隆了杂交动物——一头骡子,骡子是马和驴的后代,通常无法生育。该研究最终催生了商业马克隆实验室。现在的学生和教师每周制造多达600个克隆胚胎,主要用于遗传学研究。

  每年夏季,本科生加入到诺贝尔奖获奖科学家的工作中来,将电子送到世界上最长的线性加速器中,以接近10.8亿公里的时速,产生超强的X射线。这些X射线束被用来创建单个分子的三维图像。

   大学是个游乐场么?如果有幸成为麻省理工学院最热门的新生选修课程的90名幸运生之一,大学也能变成儿童游乐场。每年春天,15个6人团队拿到一个主题 和750美元赞助,设计和制造玩具或游戏的原型。过去的发明包括一个轮子的电动滑板和未来派的标签游戏。成型车间可供学生任意使用,创造几乎任何东西。一 天结束时,试玩决定成败。整个学期,团队都要提交原型以供孩子们试玩,他们的反应比任何成绩都能说明事情。“我明白了一点,”高年级的迈克尔·斯尼夫利 (MichaelSnively)说道,“你永远无法预测孩子会用你的玩具做什么。”

   观察树懒的睡眠听起来是件无趣的差事,但在热带雨林的20层楼高空做这件事“将改变你的生活”,新研究生和生物学家布赖森·沃林 (BrysonVoirin)说。世界上一半以上的陆地物种生活在树上,其中许多从来没有接触地面。不幸的是,大多数科学家从来没有离开地面,树冠攀爬的 先驱和生态学家梅格·洛曼(MegLowman)说,这也就解释了为什么科学家已经有记录在案的林冠不到2%。佛罗里达州新学院的学生从大学一年级就开始 攀爬萨拉索塔的亚热带树木。学生学习进行生物多样性调查或放射性标记动物。沃林,本科时曾在巴拿马追踪树懒,现在为马克斯普朗克鸟类研究所收集数据,有助 于解开人类睡眠的奥秘。

  卡内基梅隆大学是机器人学的麦加圣地,这里29年来一直是机器人制造商的大本营。这是第一所授予机器人博士学位的大学,它现在为本科生提供了一门辅修课,装配水上行走迷你机器人或制造自动SUV参加DARPA城市挑战赛,去年卡耐基梅隆大学一举夺魁。
   如果你想进入海柔·巴顿(HazelBarton)的课程名单,并最后成为16个幸运的本科生之一。你最好喜欢狭窄空间、高空、黑暗、蝙蝠和被弄得脏兮 兮——这一切仅仅是为了得到细菌。和其他学校整天摆弄显微镜和培养皿的微生物学专业不一样,巴顿实验室学生的学习场所在极端微生物茁壮成长的地方:洞穴。 大多数巴顿的学生在离家较近的洞穴,测量地下水污染和研究微生物及洞穴结构之间的联系。但是,在NASA的协助下,有一些学生随着巴顿对这个星球上最长的 石英岩洞穴进行探索,这是一个罕见的16公里长,由粉红色和琥珀色砂岩组成的迷宫,位于委内瑞拉的洛力莫高原。研究人员认为洞穴中盛产的微生物,可能为我 们了解火星上生物的生活方式提供线索。大多数洞穴由石灰石形成,这是一种碳酸盐岩。但洛力莫高原的岩石,主要成分是硅酸盐,与火星上发现的岩石相同。该小 组收集氮入氨出微生物和其他居住在洞穴壁上的奇怪生物。回到实验室里,学生将在不同的条件下观察细菌的行为,并收集信息,以协助NASA寻找外星生命的研 究。


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