Sensations d'ingénierie

Passer la tête sur le guidon sur une piste cyclable de descente ferait peur à tout le monde. Mais pour Anette Peko Hosoi, écraser son vélo dans le Highland Mountain Bike Park à Northfield, New Hampshire, lui a également donné une montée d'adrénaline et finalement un éclair d'ingénierie : que faudrait-il pour concevoir un meilleur vélo ?

Joshua Slocum '10, MEng '11, (à gauche) et Folkers Rojas '08, SM '11, (à droite) reçoivent une leçon de kitesurf d'un instructeur sur la plage de Kanaha à Maui.

Lors de son premier voyage au parc - une station de ski reconvertie qui emmène les cyclistes jusqu'à 600 pieds en télésiège jusqu'au sommet - Hosoi, professeur de génie mécanique au MIT, a tenté les sentiers escarpés aux parois de granit sur un vélo de fond, avec mauvais résultats.

Je suis allé sur mon guidon huit fois ce jour-là, se souvient-elle. Et je me suis dit : « C'est la plus grande chose que j'aie jamais faite ! Imaginez si j'avais le bon vélo.
Contusionnée et ensanglantée, elle s'est connectée dès son retour chez elle, à la recherche d'un vélo de descente. Ce qu'elle a trouvé, ce sont des conceptions omniprésentes : les amortisseurs, les systèmes de suspension avant et les mécanismes de direction variaient d'un vélo à l'autre, et il n'était pas clair comment ces caractéristiques affectaient les performances.

À l'époque, Hosoi enseignait un cours de mécanique et de matériaux, et elle a posé le problème à ses étudiants, leur demandant d'analyser les charges mécaniques sous lesquelles un vélo se déformerait. Pendant ce temps, elle passait ses soirées à dessiner des diagrammes corporels libres, des croquis approximatifs des forces agissant sur un vélo dans différents scénarios.

Dans une conversation informelle, Hosoi mentionnait ses diagrammes à d'autres membres du corps professoral du MIT. Elle a rapidement découvert qu'elle n'était pas la seule chercheuse de sensations fortes dans le groupe.

Il s'avère que la moitié de nos professeurs sont des fanatiques du sport en placard, dit-elle. Ils font des statistiques de baseball, ou courent des triathlons, ou font de la Formule 1 ou de la voile, et beaucoup d'entre eux font ces diagrammes dans leur garage le week-end.

Hosoi a suspendu son projet de vélo pour se concentrer sur un objectif plus large : relier ces ingénieurs passionnés de sport pour former une plaque tournante pour la recherche sur les technologies sportives. Elle a imaginé un programme qui associe des innovateurs du MIT à des entreprises d'articles de sport à la recherche de nouveaux produits.

À l'automne 2011, Hosoi et environ 25 membres du corps professoral de divers départements ont officiellement créé STE@M (Sports Technology and Education at MIT), un programme qui relie les étudiants, les professeurs, les partenaires de l'industrie et les athlètes afin qu'ils puissent travailler ensemble sur des projets à l'intersection du sport et de l'ingénierie. Ces projets, qui peuvent prendre la forme d'une thèse d'études supérieures, d'une recherche de premier cycle, d'une entreprise parallèle à un professeur ou d'un devoir en classe, développent des idées telles qu'une application pour le football fantastique qui trolle Twitter pour des mises à jour en direct, un modèle pour analyser les performances de kiteboard, et un monoski plus solide et moins cher pour les skieurs handicapés.

Les projets s'appuient également sur un large éventail de disciplines d'ingénierie, explique Kim Blair, conseiller de STE@M et vice-président de la société d'ingénierie de produits Cooper Perkins. Aérodynamique, facteurs humains, thermodynamique, transfert de chaleur, vous pourriez continuer encore et encore, dit-il.

Blair travaille avec des étudiants et des entreprises d'articles de sport pour relever des défis d'ingénierie sportive. C'est un rôle dans lequel il est à l'aise : en 1999, il a fondé un programme similaire, Sports Innovation au MIT, qu'il intègre maintenant à STE@M. En tant qu'ingénieur de recherche au Département d'aéronautique et d'astronautique, il a dirigé le programme pendant 14 ans, au cours desquels les étudiants ont construit un appareil pour mesurer les performances des battes de baseball et des gants et ont développé un système de test de vélo précis qui comprend un logiciel et un support qui minimise les interférences avec le cycliste.

L'un des projets qui a gagné le plus de terrain était un nouveau design pour une chaussure de triathlon. Blair, qui a participé à de nombreux triathlons et courses Iron Man, a découvert qu'aucune sneaker sur le marché ne répondait à tous les besoins d'un triathlète. Les concurrents doivent passer rapidement des chaussures de cyclisme aux chaussures de course, et elles s'hydratent généralement plus que les coureurs de marathon, ce qui augmente la possibilité de renverser de l'eau pendant une course. Une sneaker de course facile à enfiler et qui minimise l'accumulation d'humidité donnerait au triathlète un avantage supplémentaire.

Blair s'est d'abord tourné vers l'équipe de piste du MIT pour un étudiant intéressé, et ensemble, lui et Chi-An Wang '01 ont présenté l'idée à la société de chaussures New Balance. Avec le soutien de l'entreprise, en 2001, l'équipe a mis au point un prototype de chaussure de triathlon, que New Balance a finalement mis sur le marché. Blair a porté les baskets en compétition pendant trois saisons avant que l'entreprise n'arrête de les fabriquer.

Il a eu une course assez importante, se souvient-il. Et ce qui nous a semblé vraiment important à propos de cette chaussure, c'est qu'elle disait que l'entreprise était prête à essayer quelque chose de nouveau.

Vent dans leurs voiles
Cette volonté d'expérimenter est une qualité recherchée par Blair lorsqu'il approche des partenaires potentiels de STE@M. Plus récemment, il a aidé à faciliter une connexion avec l'entreprise de plein air Patagonia.

Tetsuya O'Hara, directeur de la recherche et du développement avancés chez Patagonia, a proposé d'organiser un atelier d'une semaine pour les professeurs et les étudiants du MIT à Maui, à Hawaï, pour en apprendre davantage sur la technologie éolienne et découvrir les sports éoliens. Alors que Patagonia fabrique principalement des vêtements d'extérieur, O'Hara affirme que l'entreprise fabrique une planche de surf et d'autres produits liés au surf.

O'Hara dit que le MIT peut être en mesure d'offrir à Patagonia de nouvelles perspectives sur la technologie du sport. Les professeurs et les étudiants de [STE@M] comprennent le sport, ils ont donc un œil sur l'utilisateur, et nous pouvons utiliser le même langage qu'un sportif, dit-il.

Sans surprise, Hosoi a été inondé de demandes pour rejoindre le voyage. Elle a finalement réduit le champ aux candidats qui ont démontré deux qualités : un portefeuille d'ingénierie diversifié et un amour du sport.

Je cherchais un chevauchement de ces deux passions, dit-elle. En descendant ce vélo et en passant sur le guidon, je savais exactement ce dont j'avais besoin. Vous devez donc faire partie de cette culture si vous voulez innover au sein de cette culture.

En janvier 2013, Hosoi s'est rendu à Hawaï avec le professeur de génie mécanique Alex Slocum '82, SM '83, PhD '85 et 15 étudiants, dont quelques athlètes universitaires qui devraient manquer l'entraînement en équipe cette semaine-là. Pour obtenir la permission de faire le voyage, Hosoi et Slocum ont conclu un accord avec l'entraîneur d'athlétisme du MIT : Slocum, un triathlète lui-même, a promis de courir avec les étudiants à 6 heures du matin tous les jours.

Une fois à Maui, le groupe est passé par les studios des véliplanchistes professionnels Robby Naish et Francisco Goya, où ils ont observé le processus de fabrication artisanale des planches de kitesurf. Pour donner aux étudiants une expérience pratique, Patagonia a organisé pour eux des cours tous les matins dans un sport de vent comme le surf, le paddle, le kitesurf ou la planche à voile.

Certains, comme l'étudiant diplômé Pawel Zimoch, n'avaient jamais pratiqué de tels sports auparavant. Zimoch était particulièrement attiré par le kitesurf, dans lequel un surfeur, montant sur une planche tout en tenant un grand cerf-volant, attrape une rafale de vent pour monter jusqu'à 40 pieds au-dessus de la surface de l'eau. Le kitesurf est un sport relativement nouveau, et les conceptions du kite et de la planche ont rapidement évolué au fur et à mesure que les participants, bricolant dans leurs ateliers, ont proposé des configurations leur permettant d'aller plus vite et plus haut. Mais ces améliorations ont ralenti ces dernières années.

Les passionnés fondaient leurs innovations sur leur intuition et leurs expériences, dit Zimoch. À un certain point… ce qui devient important, c'est la compréhension des principes physiques.

Comme Hosoi l'avait découvert en étudiant les vélos de descente, Zimoch s'est rendu compte qu'il n'était pas clair ce qui rendait une planche de kitesurf meilleure qu'une autre. Après son retour sur le continent, lui et quelques autres étudiants ont commencé à tester les performances des cerfs-volants dans la soufflerie du MIT. Bien qu'ils aient eu du mal à obtenir des mesures significatives de la traînée d'un cerf-volant dans diverses conditions, ils espèrent également mesurer les performances des planches dans le réservoir de remorquage du MIT.

Zimoch développe également un modèle informatique de base que les concepteurs peuvent utiliser pour analyser comment un cerf-volant et une planche, compte tenu de certaines dimensions et caractéristiques, voleront dans diverses conditions de vent. Il dit que le modèle peut aider les concepteurs à fabriquer des planches de kitesurf mieux adaptées aux vents faibles. Cela pourrait ouvrir le sport à de nouvelles plages et élargir le marché au-delà des quelques endroits avec les vents forts et constants qu'exige le kitesurf aujourd'hui.

Si la compréhension de la physique du vent était essentielle pour construire le modèle de kitesurf, la familiarité avec la sensation du kitesurf s'est également avérée essentielle.

Le contact physique m'a permis de raisonner de manière significative, explique Zimoch, qui est maintenant allé faire du kitesurf avec d'autres membres de l'équipe le long des plages de Nahant, dans le Massachusetts. Je peux m'asseoir à mon bureau et repenser à ce que l'on ressent lorsque le cerf-volant vous tire dessus et à la façon dont il réagit. C'est très utile.

Prise du jour
Peu de temps après le retour du groupe d'Hawaï, Hosoi a reçu une proposition intrigante d'Okuma, un fabricant d'engins de pêche haute performance. L'entreprise avait entendu parler de STE@M via Patagonia et souhaitait travailler avec le MIT pour concevoir de meilleurs moulinets pour la pêche en haute mer. Un jour de septembre, il a affrété un bateau au large de Cape Cod et a accueilli Hosoi, trois autres membres du corps professoral et Blair. Nous avons tous pêché du poisson, dit Hosoi. Je suis rentré chez moi et j'ai fait frire un tas de poisson bleu, et ils nous ont laissé un sac de sport plein de bobines.

Amos Winter, SM '05, PhD '11, professeur adjoint de génie mécanique, était allé à la pêche dans son enfance mais n'avait pas eu beaucoup d'expérience depuis. Mais le voyage en bateau l'a fait réfléchir, et il a ramené le sac de bobines chez lui pour une inspection plus approfondie. En jouant, il en a accidentellement laissé tomber un, brisant le design élégant en morceaux. Toujours ingénieur, il en a profité pour démonter complètement le moulinet pour comprendre son fonctionnement. Puis il a rapidement rédigé une revue de conception pour l'entreprise. Constatant que la charge sur certaines des pièces moulées sous pression rendait la bobine susceptible de se casser, il a suggéré des modifications qui pourraient la rendre plus solide et plus flexible, comme le remplacement de certaines de ces pièces par du plastique. Il a également recommandé un moyen de rigidifier le spinner (qui enroule la ligne) en changeant sa géométrie.

J'ai continué à parler avec eux et nous avons monté un projet de conseil, ce qui, je pense, est un assez bon premier rendez-vous, dit Winter.

L'un des défis qu'il compte relever est la corrosion. La pêche en haute mer implique une exposition aux intempéries et à l'eau salée, qui peuvent obstruer et corroder un moulinet. L'équipement peut également se décomposer à cause de la chaleur générée en tirant, par exemple, un thon de 400 livres. Winter travaillera avec l'entreprise pour concevoir un moulinet plus résistant à la corrosion qui transporte des charges plus facilement, ce qui signifie qu'un pêcheur à la ligne aurait besoin de moins de force pour attraper une prise.

Ascension d'un design de descente
Alors que la plupart des étudiants découvrent STE@M par l'intermédiaire de leurs professeurs ou camarades de classe, la junior Valerie Andersen a découvert le programme par l'intermédiaire de ses grands-parents. Andersen, qui a pratiquement grandi sur des skis, est un coureur alpin de l'équipe de ski du MIT. Ses grands-parents lui ont envoyé un article sur la Turtle Ridge Foundation, une organisation à but non lucratif fondée par le médaillé d'or olympique Bode Miller. L'organisation développait une nouvelle version du monoski que les personnes handicapées utilisent - un seul ski avec un petit siège attaché. La fondation avait l'intention de concevoir un modèle qui fonctionnerait mieux et coûterait moins cher que les modèles existants.

Cameron Shaw-Doran teste la nouvelle conception de monoski que les chercheurs du MIT développent via STE@M.

L'article mentionnait un chercheur du MIT collaborant à la conception : Karl Iagnemma, SM '97, PhD '01, chercheur principal au Laboratoire de fabrication et de productivité et membre de STE@M. Andersen a rapidement recherché Iagnemma et a rejoint l'équipe.

Bien qu'Andersen se soit brièvement entraînée aux côtés de l'équipe de ski paralympique américaine en deuxième année, elle n'avait jamais utilisé de monoski et n'aurait pas été en mesure de dire si un ajustement de conception avait entraîné une amélioration mesurable des performances. Ces précieux commentaires sont venus de Cameron Shaw-Doran, directeur de la R&D à la fondation et skieur adapté de compétition. En 1997, Shaw-Doran, qui était skieur depuis l'âge de deux ans, a eu un accident de voiture qui l'a paralysé de la poitrine aux pieds. Miller, un ami de longue date, l'a aidé à se rétablir, et Shaw-Doran est finalement retourné au ski, explorant les différents monoskis sur le marché.

Le principal obstacle dans la plupart des conceptions, a découvert Shaw-Doran, était une suspension inadéquate, qui l'a fait rebondir trop alors qu'il dévalait une piste. Si je pouvais trouver quelqu'un pour concevoir un amortisseur capable de faire ce que les genoux de Bode Miller peuvent faire, je serais multimilliardaire, plaisante-t-il.

Lui et Iagnemma espèrent intégrer un système de suspension amélioré dans leur conception de monoski. Jusqu'à présent, le prototype est plus léger que les autres modèles commerciaux, et son repose-pieds légèrement décalé diminue le risque que la spatule du ski heurte un rocher.

Shaw-Doran a testé le nouveau ski sur le mont Hood dans l'Oregon et dit qu'il s'y sentait très bien. Je ne peux bouger que de ma poitrine vers le haut. Si une partie de ce mouvement est perdue lors du transfert vers le ski, je perds de l'énergie, dit-il. C'était donc un sentiment incroyablement bon.

En décembre, Shaw-Doran a emmené le monoski au Colorado, où il a concouru pour une place dans l'équipe nationale américaine de ski alpin adapté et l'équipe paralympique de ski alpin. Il dit que travailler avec le MIT a également suscité un intérêt pour l'ingénierie.

Travailler avec de l'aluminium, de l'acier et du titane, et comprendre comment l'aluminium mou est comparé à l'acier et la quantité de vibrations transférées à travers lui, j'aimerais en savoir plus, dit-il.

Plus de rayons pour le hub
Hosoi espère que STE@M établira le MIT comme une ressource pour l'innovation dans l'industrie de l'athlétisme. Elle cherche à ajouter plus de rayons au hub de STE@M et est en discussion avec Nike et Red Bull au sujet de partenariats. Après tout, davantage de partenaires de l'industrie pourraient profiter aux étudiants qui souhaitent poursuivre une carrière dans la technologie du sport.

En fin de compte, dit Hosoi, l'objectif du programme est d'aider les étudiants à canaliser leurs passions.

Nous montrons aux gens comment ils peuvent appliquer leur expertise technique à des choses qui les passionnent vraiment, dit-elle. Je veux que ce genre d'énergie imprègne STE@M.

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