Spotlight op Worcester Polytechnic Institute: Een Erfgoed van Innovatie en Onderzoek

Worcester Polytechnic Institute (WPI) werd in 1865 opgericht en is de derde oudste private technologische universiteit van de natie. Gelegen in Worcester, MA, bevordert WPI onderzoek in gebieden van weefsel engineering en regeneratieve geneeskunde, tot verkenning van de technologische en beleidsvraagstukken rondom cybersecurity, tot studies van zo diverse onderwerpen als brandweermannen gezondheid en veiligheid en de brandveiligheidsuitdagingen van groene gebouwen.

WPI heeft vijf cross-cutting onderzoekgebieden ontwikkeld:

Gezondheid & Biotechnologie — WPI's onderzoek in gezondheid en biotechnologie kruist meerdere disciplines en omarmt focusgebieden zoals cellulaire biologie, regeneratieve bioscience, weefselmechanica en mechanobiologie, biofysica, ziektebehandeling, en diergedrag.

Robotica & Internet of Things — Robotische technologieën omvatten medische robotica, zachte robotica, mens-robot interactie, en onbemande luchtvoertuigen. Robotische systemen beschikbaar voor onderzoekers omvatten WPI's Atlas Robot for Nonconventional Emergency Response (WARNER), een 6-voet hoge Atlas humanoïde robot van Boston Dynamics die WPI's deelnemer was in de DARPA Robotics Challenge voor robot rampenrespons.

Met meer dan een kwart miljard voertuigen op Amerikaanse wegen, vinden WPI onderzoekers manieren om die reizen veiliger te maken en de voertuigen goedkoper en meer eco-vriendelijk. Cyber-fysieke systemen maken het makkelijker voor mensen om te interacteren met ingenieursystemen dankzij complexe en geavanceerde technologische toepassingen.

Geavanceerde Materialen & Productie — WPI's multidisciplinaire onderzoek in materialenwetenschap en engineering wordt gemotiveerd door de erkenning dat de toekomst zal afhangen van de ontwikkeling van nieuwe materialen (inclusief door de natuur geïnspireerde materialen), het innovatieve gebruik van traditionele materialen, en de herwinning en hergebruik van materialen. Breed opgezet onderzoeksinspanningen adresseren duurzaamheidsvraagstukken in energieopwekking en alternatieve energie (brandstofcellen, netopslag, en energieopwekking met onderzeeboot kites), productie (lean manufacturing, duurzame supply chains, en geavanceerd industriëel drogen), en mobiliteit (de productie van vloeibare transportbrandstoffen uit lignocellulose biomassa).

Cyber, Data & Beveiliging — Aangeduid als Center of Excellence in Cybersecurity Research door de National Security Agency en het Department of Homeland Security, is WPI betrokken bij cybersecurity onderzoek in een breed scala aan disciplines die een reeks beveiligingsdreigingen adresseren. WPI onderzoekers richten zich op het verbeteren van data mining tools en technieken en het ontwikkelen van nieuwe methoden voor het benutten van big data om data-gedreven voorspellingen en beslissingen te maken. In brandbescherming engineering, passen onderzoekers geavanceerde experimentele en computationele technieken toe om een breed scala aan brandveiligheidskwesties aan te pakken.

Leerwetenschappen — WPI onderzoekers in leerwetenschappen ontwikkelen educatieve technologieën die computationele methodologie combineren met theoretische kaders in de leer- en sociale wetenschappen om onderwerpen te onderzoeken zoals instructionele technologieën, leren met visualisaties en simulaties, leerderkenmerken, mens-computer interactie, en machine learning.

School of Engineering

Bestaande uit 14 gefocuste afdelingen, adresst de School of Engineering bij WPI een brede verscheidenheid aan technologiegebieden.

Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek omarmt de wetenschap en technologieën die vliegtuigen en ruimtevaartuigen creëren, ontwikkelen, en verbeteren. Met behulp van apparatuur en faciliteiten waaronder windtunnels, vacuümkamers, en controle-instrumentatie, omvatten technische gebieden vloeistoffen en plasma's, propulsie en energie, besturing en dynamica, en structuren en materialen.

WPI's Biomedische Techniek werkt aan vooruitgang zo divers als wondhelende hechten, bloedvaten engineering, vitale tekenen monitoring voor brandweermannen, en braces voor gewrichtsstabilisatie.

Binnen Chemische Techniek, lossen onderzoekers real-world problemen op in gebieden zoals milieubescherming, hernieuwbare energie, en levenswetenschappen door ontwikkeling van nieuwe technologieën, processen, en materialen.

Civiele en Milieutechniek raakt onderwerpen zoals duurzaamheid, natuurlijke hulpbronnen behoud, ontwerp, constructie, architectuur, en energie. Technische gebieden omvatten wegtechniek en snelwegmaterialen, analyse en ontwerp van structurele systemen en slimme structuren, constructie en ontwerp-constructie integratie, fysieke en chemische behandeling, energie en duurzaamheid, waterhulpbronnen, en duurzaam gebouwontwerp.

Onderzoek in Elektrotechniek en Informatica omvat machine learning, cryptografie en informatiebeveiliging, signaalverwerking, autonome voertuigen, slimme gezondheid, prothetische controle, analoge en digitale microelektronica, en draadloze informatienetwerken. WPI innovaties omvatten de uitvinding van de negatieve feedback versterker en het leggen van de fundamenten van de eerste draadloze lokale netwerken.

Thuis van een van de slechts drie brandbescherming engineering programma's in de Verenigde Staten, informeert en vormt WPI's Brandbescherming Engineering werk regelgevend beleid, gebouwontwerp, productieprocessen, eerste hulp operaties, en product prestatie standaarden. Onderzoek wordt uitgevoerd in materialen, verbranding en explosie bescherming, gebouw- en brandsystemen, brandweermannen veiligheid en beleid, menselijk gedrag en ontruiming, ontwerp en regulering, en brandimpact op gebouwen, infrastructuur, en het milieu.

Industriële Techniek fungeert als een brug tussen engineering en management om processen te analyseren en aan te passen of nieuwe te creëren. Of het nu een productieprocedure of een herontwerp van fysieke ruimte is, industriële ingenieurs identificeren de mensen, materialen, technologie, informatie, en energie die nodig zijn voor een proces om efficiënt te zijn.

Productietechniek omvat velden zoals robotica, productie en materialenverwerking, besturingssystemen, frezen, slijpen, CNC frezen leren, materialen engineering, en oppervlakte metrologie.

Het veld van Materialen Proces Techniek richt zich op de wetenschap van materialen, materialenverwerking, en bedrijfspraktijken. Productieprocessen zoals nanomaterialen en biopolymeren en onderwerpen zoals lean manufacturing, gieten en warmtebehandeling, kostenanalyse brandstofcellen, en oppervlakte metrologie zijn inbegrepen.

Materialenwetenschap & Engineering is gericht op de manieren waarop materialen gemaakt, gebruikt, en gerecycled worden; op het ontwikkelen en verwerken van nieuwe materialen en producten; en op het innovatieve gebruik van traditionele materialen. Fundamenteel begrip van materialen op de nano, micro, en macro schaal omvat structuur, verwerking, eigenschappen, prestaties, kinetica, en thermodynamica.

Sterktes binnen Werktuigbouwkunde omvatten thermische wetenschappen, nanototechnologie en nanomaterialen, biomechanica en medische apparaten, additive manufacturing en geprint elektronica, fotonica en optomechanica, sensoren en metrologie, metalen verwerking, batterijen en electrochemie, en zonnecel materialen.

Onderzoek wordt uitgevoerd binnen Robotica Engineering in gebieden zoals mens-robot interactie en interfaces, robot bewegingsplanning en controle, medische en assistieve robots, sensoren/actuatoren en robotontwerp, robotica en AI, menselijke augmentatie, robotische manipulatie, zachte robots, autonome voertuigen, ingebouwde systemen voor robots, en multi-robot systemen.

Systeemtechniek is een holistische benadering tot het ontwerp, constructie, en onderhoud van systemen. Onderwerpen adresseren zowel engineering als management aspecten en omvatten kunstmatige intelligentie, model-gebaseerde systeem engineering, eisen engineering, systeem architectuur en ontwerp, en validatie en verificatie.

Technologieën

Golfbewegingsonderzoek bij WPI kan ooit een kogelvrij vest creëren dat niet alleen de snelheid, aanvalshoek, en grootte van een binnenkomende kogel zal voelen maar het materiaal binnenin de vest direct eigenschappen zal veranderen om grotere schokbescherming te bieden op het exacte impactpunt. De granulaire materialen kunnen gebruikt worden in persoonlijke beschermingsuitrusting, zoals vesten en helmen, die gedragen kunnen worden door het militair, politie, en andere professionals zoals atleten en bouwwerkers. Ze kunnen ook gebruikt worden als een beschermende bekleding voor gebouwen of zelfs om de Internationale Ruimtestation, satellieten, en ruimtevaartuigen te beschermen tegen schade door ruimtevuil en meteorieten.

Een team bij WPI vond dat extracten uit de bladeren van de Artemisia annua plant, een medicinale kruid ook bekend als zoete wermut, de replicatie van het SARS-CoV-2 virus (het verantwoordelijke virus voor de COVID-19 pandemie) en twee van de recente varianten remmen. Een of meer verbindingen in de plant kunnen wijzen op een veilige, laagkost therapeutische behandeling voor SARS-CoV-2.

Ingenieurs hebben een smartphone app ontwikkeld die kan helpen contact tracing uitvoeren nodig om de verspreiding van COVID-19 te bevatten zonder de privacy of persoonlijke beveiliging van gebruikers te risiceren. Twee manieren van tracking data verzamelen zijn ontwikkeld. Met de eerste, zou de app de locatie van de gebruiker tracken en elke opgeslagen informatie versleutelen. Het zou dan de versleutelde data, minus persoonlijk identificeerbare informatie, naar een server sturen gebruikt door een volksgezondheidsafdeling. Een andere benadering zou informatie alleen uploaden van iedereen die positief test voor COVID-19. Die informatie zou publiek gemaakt worden, zonder de geïnfecteerde personen te identificeren, zodat iedereen online kan gaan en controleren of ze in nauw contact zijn geweest met iemand die positief getest is.

Een kritisch diagnostisch instrument dat bij WPI ontwikkeld wordt is een robotische echomachine om ziekte symptomen in de longen te detecteren — een significante ontwikkeling die gezondheidszorgaanbieders in staat stelt hun blootstelling aan het virus te minimaliseren bij het uitvoeren van assessementen van COVID-19 patiënten. Het platform elimineert vrijwel fysiek contact tussen patiënten en gezondheidszorgwerkers tijdens scans, het risico op verspreiding minimaliserend terwijl nog steeds vitale data verzameld kan worden.

WPI creëerde hernieuwbare brandstof uit rioolslib, een bijproduct van afvalwaterbehandeling dat broeikasgassen en waterverontreiniging creëert wanneer gedumpt in stortplaatsen. Het gebruikt hydrothermale processen, hoge temperaturen en druk, en goedkope katalysatoren om rioolslib — en de energie en koolstof daarin vervat — om te zetten in aardgas. Bovendien kunnen nitraten en fosfaten geëxtraheerd tijdens het nieuwe proces gebruikt worden in landbouw.

Een gedeeltelijke handprothese werd gecreëerd die vingers toestaat te bevestigen aan een persoonlijke gedeeltelijke hand om een deel van de functionaliteit van de vingers te vervangen. Een polsband bevat de actuator voor duimbeweging en een kleine solenoid die het op slot zet. Ingebouwde sensoren stellen de persoon in staat om te drukken met het kleine overgebleven stukje van een vinger, wat de prothetische duim voorwaarts en achterwaarts zal laten bewegen.

Een WPI wiskundige helpt het Amerikaanse leger een duimnagel-grote chemische sensor te creëren die op buitenkleding gedragen kan worden om gevaarlijke chemicaliën sneller te detecteren en het percentage valse alarmen te verlagen. De draagbare sensor is gebouwd om de menselijke neus na te bootsen. Elke sensor detecteert combinaties van meerdere moleculen — een kan dieselrook en een specifiek chemisch agens detecteren terwijl een andere dieselrook en vochtigheid kan detecteren. De resultaten worden gecombineerd om een completere en nauwkeurigere beoordeling van de chemicaliën in de omgeving te geven.

Een sensor de grootte van een PLASTER® werd ontwikkeld om de bloedzuurstofwaarden van een baby te meten, een vitale indicatie van de effectiviteit van de longen en of het weefsel van de baby adequate zuurstofvoorziening ontvangt. In tegenstelling tot huidige systemen in ziekenhuizen, zal deze geminiaturiseerde draagbare apparaat flexibel en uitrekbaar, draadloos, goedkoop, en mobiel zijn, mogelijk het kind in staat stellend het ziekenhuis te verlaten en op afstand gemonitord te worden.

Een autonoom rover en payload-afwendende drone werden ontwikkeld om samen te werken om landmijnen te zoeken en te ontploffen. De rover detecteert en markeert de mijnen met een goedkope metaaldetector, die zoveel als een gram metaal twee tot drie inch onder de grond kan voelen. De drone laat dan payloads van kleine zandzakken op de mijnen vallen om ze veilig te ontploffen.

WPI ingenieurs creëerden een 3D-printtechniek die gebruikt kan worden om voertuigen en andere kritieke technologie in het veld te repareren, de soms uitgebreide wachttijd voor nieuwe onderdelen te vermijden en de gereedheid van militaire eenheden te verhogen. Het gebruikt een techniek genaamd koude spuit, die gebruikt kan worden om metalen onderdelen te repareren of zelfs nieuwe onderdelen vanaf nul te maken door metaal laag voor laag op te bouwen in een 3D-printproces. Het proces kan gereduceerd worden tot een draagbare handapplicator voor gebruik in het veld.

Om NASA ruimtevaartuigen lichter en meer schadebestendig te maken, ontwikkelde WPI methoden om onvolkomenheden in koolstofnanomaterialen te detecteren die gebruikt worden om composiet rakette brandstoftanks en andere ruimtevaartuigstructuren te maken. Een algorithm verbetert de resolutie van dichtheidsscansystemen aanzienlijk die gebruikt worden om fouten in Miralon® te detecteren — een sterk, lichtgewicht, flexibel nanomateriaal. Miralon is gebruikt om structurele steunen in NASA's Juno sonde die Jupiter omcirkelt te wrappen om trillingen en statische ontlading te dempen.

Technologie Overdracht

Het Office of Technology Commercialization (OTC) identificeert, evalueert, waardeert, beschermt, classificeert, markeert, en licentieert de intellectuele eigendomsactiva die bij WPI ontwikkeld zijn. Om te leren over beschikbare technologieën, bezoek hier.

Om een WPI uitvinding te licentiëren, contacteer Todd S. Keiller, Directeur van Intellectueel Eigendom en Innovatie, op tkeiller@wpi.edu; 508-831-4907.