Des LEGO aux lasers : les enfants inventent les choses les plus cool

Jul 28, 2023

Les politiciens et les experts parlent de l'infrastructure en ruine de l'Amérique. Mais une équipe d'Ohioiens à l'esprit scientifique voulait faire quelque chose.

C'est un prototype : les éléments LEGO et les capteurs laser démontrent l'avenir du toit d'entrepôt ... [+] la surveillance de la sécurité telle qu'envisagée par les participants au FIRST LEGO League Challenge 8 to Automate.

Le cadre de recherche en 2019 a rendu visite à des responsables locaux à travers l'État et dans leur ville natale de Dublin, Ohio. Ils s'entretenaient avec des experts en construction et interrogeaient des architectes, un marteau-esprit de ruche à la recherche d'un clou.

Bientôt, ils l'ont trouvé : un gros problème, implorant une solution.

Chaque année, à travers l'Amérique du Nord, environ 4 000 toits plats, comme ceux des entrepôts et des magasins-entrepôts, s'effondrent sous le poids de la neige. L'équipe a conçu un système automatisé de détection précoce utilisant des capteurs laser à fibre optique et un prototype a été construit.

Par les élèves de septième et de huitième. Utiliser des LEGO.

"Nos recherches ont révélé que les effondrements de toits plats sont un problème réel", a déclaré le chef d'équipe, Malcolm Masri, 13 ans. "Il fallait une solution unique."

Celui-ci a maintenant émergé grâce à un groupe de jeunes ambitieux peut certainement être considéré comme unique, pour ne pas dire impressionnant – et important.

Dans de nombreuses juridictions, les codes de construction des toits plats ont été modifiés pour tenir compte des charges de neige plus lourdes. Mais de nombreux codes n'ont pas changé et d'innombrables toits plus anciens restent vulnérables. Celles-ci nécessitent des solutions à la pelle ad hoc, peu fiables, coûteuses et dangereuses. Une préoccupation supplémentaire : lors d'un incendie dans un entrepôt, les toits plats, généralement en quelques minutes, deviennent dangereux pour les pompiers.

Masri, avec quelques-uns de ses camarades de classe à la Willard Grizzell Middle School, a créé un système d'outil d'évaluation des contraintes de toit (REST) ​​en instance de brevet capable de détecter le moment où les poutres à treillis ouvert commencent à se déformer même légèrement. Se faisant appeler "8 pour automatiser", adoptant une mascotte de pieuvre construite par LEGO, "Ocho", les enfants de Dublin, Ohio faisaient partie des 20 autres équipes demi-finalistes, sur plus de 1 000 concurrents au total, récompensés en juin lors de la dixième édition annuelle des FIRST LEGO League Challenge's Global Innovation Awards présentés par Disney. L'équipe 8 to Automate s'est classée deuxième, l'une des deux finalistes.

L'équipe gagnante, Aldeatrón Robotix, originaire des îles Canaries, en Espagne, a conçu des blocs de construction respectueux de l'environnement et à température contrôlée ; l'autre finaliste, QuickBots, une équipe de Dayton, Ohio, a inventé un agent de refroidissement thermochromique pour ébouillanter les équipements de terrain de jeux chauds.

À la fois communauté robotique et source de talents STEM (Science, technologie, ingénierie et mathématiques), l'organisation à but non lucratif FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology) est une idée originale de l'inventeur et entrepreneur Dean Kamen.

Il l'a lancé pour encourager et inspirer les élèves de la maternelle à la 12e année - et pas seulement les soi-disant doués - à rechercher une formation en STEM et à poursuivre une carrière dans ces domaines. L'un des nombreux programmes pratiques FIRST, FIRST LEGO League (dont LEGO Education est un partenaire fondateur) comprend plus d'un demi-million d'étudiants dans plus de 110 pays.

Les fondamentaux de l'ingénierie sont construits, brique LEGO Duplo par brique LEGO Duplo. Finalement, les participants au programme se dirigent vers des domaines connexes, y compris la robotique. Les élèves commencent en FIRST dès le pré-K et augmentent progressivement leur niveau de compétence et de compétition. Masri a commencé à 9 ans. Ses coéquipiers – Arwen Zhang, Sathvik Allipuram, Sai Rishik Lingam, Liam Swayne, Maxwell Imamura et Anya Zhang – étaient un mélange de nouveaux venus et de vétérans de la FIRST LEGO League. Le père de Masri, Farid, ingénieur en mécanique, est l'un des 300 000 bénévoles de FIRST, tout comme sa mère, Judi. Tous deux donnent de leur temps en tant que mentors au sein de l'équipe 8 to Automate.

"Au cours des quatre dernières années dans la FIRST LEGO League, il a été merveilleux de voir les étudiants développer des compétences de recherche approfondies", a déclaré Judi Masri, qui étudie les actions mondiales en tant que gestionnaire de portefeuille de fonds de pension d'État.

"L'étude approfondie d'un problème développe la pensée critique", a-t-elle déclaré. "Le sens du leadership, la confiance en soi et la capacité de communication de nos étudiants ont énormément augmenté. Ces compétences se poursuivront dans leur éducation et leur carrière."

Kunaal Gudavali, un lycéen, a également conseillé l'équipe 8 to Automate. Comme de nombreux mentors, il est un ancien de la FIRST LEGO League.

Nul doute que les anciens ont étayé le projet, fournissant une poutre de soutien clé; mais les enfants portaient la lourde charge. Tout le travail sur le prototype a été effectué par les étudiants, à l'exception de quelques travaux de sciage électrique pour couper le matériau à la bonne taille et de la mise en place d'une imprimante 3D. Il convient également de souligner que les éléments LEGO ont été incorporés pour le plaisir et comme un clin d'œil à leur influence formatrice au fil des ans, mais aussi comme un moyen d'animer plus complètement l'entrepôt de modèles. Quant aux autres éléments, il n'y a pas eu de jeu : des colonnes en bois, découpées et peintes, ont été fixées au socle à l'aide de supports imprimés en 3D ; une feuille de polycarbonate transparente, doublée d'une membrane d'étanchéité en PVC, a été appliquée sur le dessus comme un toit permettant une vue aérienne des fermes ; une source de lumière laser à fibre optique a montré comment un système réel serait mis en œuvre.

À propos de l'organisation FIRST, fondée en 1989, Kamen a déclaré : "Les enfants arrivent souvent sans savoir à quoi s'attendre, ni du programme, ni d'eux-mêmes et ils repartent, même après une saison, avec une vision, une confiance et le sentiment qu'ils peuvent créer leur propre avenir."

Au milieu de l'été 2020, avec tout ce qui se passe dans le monde, peu se concentrent sur la prolifération des toits plats sensibles aux charges de neige inégalement réparties.

Cependant, il y a un regain d'attention dans le monde entier sur la façon dont les enfants apprendront à l'avenir. Les programmes compétitifs et pratiques comme FIRST sont une façon amusante et excitante pour les étudiants d'apprendre les types de compétences qui ne sont pas toujours enseignées traditionnellement, disent les éducateurs.

Incités par la FIRST LEGO League et leur propre émerveillement enfantin, ces étudiants ont pu comprendre ce que les compagnies d'assurance, les responsables de la sécurité publique et les constructeurs savaient depuis des décennies, c'est-à-dire combien de toits plats bon marché sont à risque ; n'est pas encore entièrement connue – comment résoudre au mieux le problème.

Chaque année, les toits recouvrant les bâtiments américains – entrepôts, dépanneurs mais aussi parkings, arènes civiques, églises, écoles et établissements de santé – vieillissent et deviennent inutilisables. L'usure graduelle des matériaux peut s'accumuler au fil des ans, comme une congère de huit pieds de haut dans le parking d'un centre commercial linéaire de Cheektowaga, dans l'État de New York.

La technologie de détection à fibre optique a été utilisée pour surveiller la tension au fil des ans avec quelques générations de technologie entrant en service, mais l'équipe 8 to Automate était déterminée à créer quelque chose de révolutionnaire ; un système qui pourrait détecter la plus petite charge, en continu, sur tout le toit (pas seulement un échantillon de points dispersés jugés critiques) et, surtout, pourrait être mis en œuvre rapidement, à faible coût dans n'importe quel bâtiment, comme installer des détecteurs de fumée (par opposition à un vaste travail de rénovation). Cela les a amenés à rechercher des capteurs basés sur des réseaux de Bragg (FBG), des réseaux microscopiques qui agissent comme des miroirs, à travers lesquels la lumière se déplace. Au fur et à mesure que la fibre est tendue, chaque miroir réfléchit une partie de la lumière, signalant les informations à un système informatique qui convertit et interprète les changements infimes indiquant même le moindre compromis de faisceau à treillis ouvert.

Les propriétaires d'immeubles peuvent être avertis non seulement du moment où il est temps de rechercher une solution de déneigement, mais également des domaines précis sur lesquels se concentrer.

En plus des dommages matériels causés par les effondrements, il y a le coût supplémentaire pour les êtres humains qui se blessent régulièrement en glissant et en tombant. De plus, trop de pelletage, ou un pelletage exécuté de manière sous-optimale, peut, en fait, exacerber un accident structurel en attente : le grattage de la pelle endommage la membrane d'étanchéité critique du toit, contribuant au potentiel de conditions d'effondrement dangereuses.

Les capteurs à fibre optique sont meilleurs que les jauges de contrainte électriques conventionnelles ou les cellules de charge car ils sont plus légers, nécessitent moins d'énergie, résistent aux interférences électromagnétiques, ont une sensibilité plus élevée et sont plus faciles à installer, a déclaré Jim Blake, professeur de génie électrique et de fibre optique à la Texas A&M University, et également président de Grid Evolution Technologies.

Selon Farid Masri, au moins un expert en gestion de toiture avait informé l'équipe qu'il n'existait aucun système fiable de surveillance de la charge de lumière laser à fibre optique sur le toit.

(De gauche à droite) Sathvik Allipuram et Maxwell Imamura de l'équipe FIRST LEAGO League Challenge, 8 à ... [+] Automatisez, travaillez sur plus qu'un simple projet scientifique d'école primaire, mais rien de moins qu'une solution majeure pour les nombreuses structures à toit plat du pays.

Après avoir testé leur prototype avec l'aide d'ingénieurs de l'Ohio State University, la conception a nécessité un dernier ajustement : les capteurs de contrainte seraient fixés sur tout le toit à l'aide de ruban polyimide, avec un microcontrôleur intégré sous le centre du toit.

Le système nouvellement inventé pourrait en effet représenter une solution à un problème de longue date, a déclaré Anthony Massari, professeur de génie civil, environnemental et géodésique à l'OSU et qui a apporté sa contribution.

"Bien que les codes s'améliorent pour rendre les bâtiments plus sûrs, ils restent un compromis entre la sécurité et les coûts", a déclaré Massari.

Les normes de l'American Society of Civil Engineers (ASCE) ont été mises à jour pour s'adapter aux charges de neige plus lourdes, mais tous les bâtiments n'utilisent pas cette nouvelle norme. Un pied cube de neige peut peser jusqu'à 21 livres, avec des variations de densité et d'épaisseur dues à la dérive et à la fonte, donc une simple inspection visuelle n'est pas efficace, ont déclaré les experts.

Environ 4 milliards de dollars de réclamations d'assurance chaque année sont associés à des effondrements de toit, selon diverses estimations de groupes de commerce de l'industrie. Au moins un quart, et peut-être jusqu'aux trois quarts, de ces incidents sont dus à la neige ou à des combinaisons de neige, de vent et de pluie. La plupart des réclamations sont généralement liées à des effondrements de toit ; mais ils incluent également les réparations du toit, ainsi que la perte de revenus d'entreprise.

Dans leurs recherches, les élèves-ingénieurs de 8 to Automate ont appris l'effondrement du toit d'un entrepôt en 2015 à Groveport, dans l'Ohio, à proximité. Environ 70 employés se trouvaient à l'intérieur à ce moment-là; heureusement, personne n'a été grièvement blessé. Cependant, des millions de dollars de marchandises ont été ensevelis sous la neige et les débris, incapables d'être récupérés.

Il y a eu des pertes de vie. En février 2006, le toit d'une salle d'exposition de la ville polonaise de Katowice s'est effondré sous une neige abondante, tuant plus de 60 personnes.

Les stades sportifs ont connu des effondrements notables mais heureusement non mortels au fil des ans.

En janvier 1978, à la suite d'une tempête de neige de dix jours, le toit du Hartford Civic Center s'est effondré à peine six heures après un match de basket-ball de l'Université du Connecticut. Par un coup du sort, l'équipe qui aurait normalement dû être à l'intérieur (transformant le terrain en patinoire de la LNH) était au milieu d'une pause de trois jours consécutifs de cerceaux une fois par an.

Avant sa démolition il y a six ans, le Hubert H. Humphrey Metrodome, domicile des Twins et Vikings du Minnesota, a subi une série d'effondrements de son toit gonflable, en fibre de verre/tissu enduit de téflon, dont un en 2010 capturé par une équipe de tournage de CBS.

Cette même année, l'ILT Stadium Southland à Invercargill, en Nouvelle-Zélande, a vu son toit s'effondrer après une forte chute de neige. Personne n'a été blessé, mais le site polyvalent a été hors service pendant quatre ans (déplacement des Southland Sharks de la Ligue de basket-ball de Nouvelle-Zélande) jusqu'à ce qu'une nouvelle installation puisse être construite.

Les municipalités des régions sujettes aux tempêtes hivernales ont enduré des conditions effrayantes avec de multiples effondrements survenus dans la région, mettant à rude épreuve les premiers intervenants.

L'hiver dernier, à travers le Minnesota et le Dakota du Nord, un brassage de neige, de grésil, de pluie et de vent de Mère Nature a créé une neige dangereusement humide et lourde, entraînant plusieurs effondrements de toit. Le toit de l'église catholique St. Francis de Sales, à Moorhead, dans le Minnesota, s'est effondré – un dimanche matin – alors que des centaines de personnes auraient assisté à des services qui, Dieu merci, avaient été annulés.

À Buffalo, NY, en 2014, une tempête anormale du week-end de Thanksgiving a apporté (dans certaines sections, jusqu'à) huit pieds de neige et a entraîné au moins une douzaine d'effondrements dans toute la ville. Les conditions anormales, même pour Buffalo, ont provoqué des évacuations d'au moins une maison de retraite et de plusieurs communautés de roulottes. Ensuite, les conditions se sont aggravées, lorsque le temps s'est réchauffé, créant des charges de neige humide et plus lourdes. Les pires craintes ne se sont pas réalisées, mais les résidents et les propriétaires d'entreprises ont enduré quelques jours effrayants.

Les codes pour les résidences et les entreprises, en particulier dans les endroits enneigés, sont plus stricts contrairement aux entrepôts où ils sont moins stricts. C'est parce que, dans cette équation coût/sécurité, on présume qu'il y a moins de probabilité qu'une vie humaine soit en danger.