Если у вас не болит рука после забивания гвоздей, скажите спасибо Курту Шредеру 90-го года. И пока вы этим заняты, скажите ему спасибо за недорогие печатные электронные схемы, которые теперь можно найти в потребительских товарах по всему миру.
25 февраля 2025 г.
Поход в Walmart. Стареющая немецкая овчарка. Дешевый одноразовый фотоаппарат.
Это лишь некоторые из, казалось бы, обыденных вещей, которые зажгли неистощимый творческий ум Курта Шредера 90-х годов, что привело к некоторым из его новаторских изобретений.
«Я просто не могу перестать это делать», — говорит он со смешком и едва уловимым южноиндианским акцентом. «Я все время изобретаю. Неважно, что именно. Я всегда экспериментирую».
Шредер вырос на ферме, но всегда знал, что его будущее не в сельском хозяйстве. Настроившись на изучение физики, он подал документы только в MIT, не подозревая, по его словам, насколько академически строго это будет. После зачисления он наблюдал, как его одноклассники-«супергении» плыли по своим занятиям, в то время как он учился усерднее, чем они, но получал только оценки B.
Все изменилось, когда он прошел через печально известный строй младшей лаборатории 8 курса, считающейся одним из самых требовательных двухсеместровых лабораторных занятий в Институте. Во время работы над этим продвинутым курсом экспериментальной физики он нашел свой путь.
«Это исключает множество людей, но по какой-то причине это был самый простой класс для меня», — вспоминает он сейчас. «Я не только чинил машины и заставлял их работать, но и получал более точные измерения, чем другие, и придумывал способы использовать оборудование для выполнения задач, которые никто не замечал».
Но на своих обычных занятиях он все еще чувствовал, что топчется на месте. «Я понял, что, ладно, я все еще хочу быть физиком, но, может быть, немного другим типом физика», — говорит он.
Например, физик, которому удается усовершенствовать обычный молоток — инструмент, который настолько вездесущ и воспринимается как должное, что его не переосмысливали сотни, может быть, тысячи лет, пока не появился Шредер. Или физик, который спасет старую собаку с помощью наночастиц серебра. Или физик, который с помощью камеры за 7 долларов придумает новый метод термической обработки, который произвел революцию в массовом производстве электронных схем.
После окончания MIT Шредер два года занимался разработкой оружия для ВМС США, а затем поступил в докторантуру по физике плазмы в Техасском университете в Остине. Когда он приближался к последнему году обучения, он и его жена Лиза однажды отправились в Walmart по поручению. «Как типичный парень, я зашел в отдел инструментов и начал разглядывать молотки», — вспоминает Шредер. «Я понял, что все молотки были спроектированы неправильно. Для меня это стало почти навязчивой идеей».
«Меня очаровал тот факт, что я могу работать над чем-то, что у всех была возможность исправить, но они этого не сделали».
Шредер заметил не столько конструкцию инструментов, сколько тот факт, что производители фактически транслировали недостаток. «На этикетках всех молотков было написано: «У нас есть рукоятка, гасящая удары» или «рукоятка, гасящая вибрации», и я пробовал, но ничего не получалось», — говорит он. «Они говорили: «Это не решенная проблема». Они просто давали мне нужную информацию. Вы когда-нибудь слышали о шинной компании, которая говорит: «Наши шины круглые»?»
В то время Шредер изучал другой сложный курс, на этот раз по механике. Профессор сказал студентам, что планирует охватить 14 недель учебной программы всего за шесть недель и сосредоточиться на специальных темах в оставшееся время. Многие студенты были напуганы и бросили учебу, но Шредер продолжал. («Это был тот тип оскорблений, к которому я привык в MIT», — шутит он, указывая на свою медную крысу. «Так что все было просто замечательно».) По счастливой случайности одной из этих «специальных тем» были бейсбольные биты.
УАЙАТТ МАКСПАДДЕНПоскольку Шредер был так поглощен проблемой вибрации молотка — еще одним занятием, которое включает в себя механику замаха — он читал книги о легендарном отбивающем Boston Red Sox Теде Уильямсе, чтобы узнать больше. Он брал интервью у плотников. Он провел довольно много времени с молотком в руке. «Я сам научился делать это довольно хорошо. Я просто все время стучал молотком», — говорит он. «В итоге я частично потерял слух, потому что выполнял всю эту работу на наковальнях».
Он разработал тесты для измерения вибраций и создал «киберперчатку», которая считывала их и загружала данные в компьютерную программу. После двух лет сбора и анализа данных он пришел к выводу, что большинство попыток усовершенствовать молотки заключались в добавлении длины и, следовательно, веса. Это вызывает усталость и потенциально усугубляет то, что известно как «молоткообразный локоть» или латеральный эпикондилит, повторяющееся стрессовое расстройство, которое может досаждать строителям.
Шредер определил, что в молотке есть «маленькое место, где не так много вибрации» — часть рукоятки, которую большинство людей естественным образом схватят. Он выяснил, что если убрать вес с частей рукоятки, прилегающих к рукоятке, и вставить туда пену, это изолирует руку пользователя от удара и возникающей вибрации. Использование пенных вставок также позволило ему перепроектировать головку молотка, чтобы увеличить эффективную длину молотка и повысить передачу импульса примерно на 15% — без добавления веса. Другими словами, его конструкция не только уменьшила вибрацию, но и заставила молоток бить сильнее с меньшим усилием.
Эти модификации также сокращают производственные затраты. Сегодня усовершенствования конструкции Schroder нашли свое применение в большинстве молотков, продаваемых в Соединенных Штатах, значительно облегчая работу локтей пользователей и избавляя производителей от растущей угрозы судебных исков за травмы на рабочем месте, связанные с вибрацией.
«Это довольно скучная вещь, на самом деле. Это не то, над чем работают физики», — говорит он. «Меня очаровал тот факт, что я мог работать над чем-то, что все могли исправить, но не сделали этого».
В ходе решения проблемы молотка, говорит Шредер, он узнал, что быть изобретателем — это столько же упорства и выдержки, сколько науки или воображения. Его профессора говорили ему, что он зря тратит время и не должен беспокоиться. Затем, после того как он представил свои инновации компаниям-производителям молотков, они заявили, что не считают его разработки патентоспособными, — однако продолжили включать их в свои новые проекты. В конечном итоге Шредеру выдали два патента, и 16 лет спустя, после подачи иска компаниям-производителям молотков, он наконец получил компенсацию за свои инновации. Он расплатился за свой дом, увез жену и пятерых детей в Италию и отдал оставшиеся средства на благотворительность, говорит он.
К тому времени он уже ушел.
В начале 2000-х годов, работая в компании, которая тогда называлась Nanotechnologies, Шредер применял концепцию импульсной мощности, раздела физики и электротехники, который он изучал в Массачусетском технологическом институте, для синтеза наночастиц. Импульсная мощность подразумевает чрезвычайно короткие, интенсивные всплески электрического тока, которые выдают «огромное количество мощности — смехотворное количество мощности — за короткий промежуток времени», объясняет Шредер. Например, для зарядки вспышки может потребоваться пять секунд, при этом от батарейки АА она потребляет всего пять ватт. Но когда она высвобождает эту накопленную энергию менее чем за тысячную долю секунды, вспышка составляет около 20 000 ватт.
«Изобретательство — это навык, а не талант. Каждый может стать изобретателем».
Для одного из своих многочисленных проектов компания разрабатывала электротермическую пушку, изначально предназначенную для военных целей, которая, по словам Шредера, имела «очень интенсивный дуговой разряд — искру, но 100 000 ампер». Он описывает 50-мегаваттные прототипы, которые они произвели, как «немного пугающие» и называет их «неудачным устройством, которое так и не вышло за пределы лаборатории». Но его предшественники в компании поняли, что если они нажмут на курок после извлечения снаряда из ствола, высокая температура импульсного дугового разряда разрушит серебряные электроды внутри ствола, образовав плазму, которая выстрелит из устройства. Когда плазма быстро остынет, эти размытые или аблированные электроды вступят в реакцию с газами, образуя наночастицы. Инертный газ, такой как гелий, будет генерировать наночастицы серебра. Реактивный газ будет образовывать наночастицы соединения, такого как оксид серебра.
Полностью отказавшись от идеи электротермической пушки, Шредер и его коллеги обратились к его опыту в области импульсной мощности и сосредоточились на применении ее к стержням, скажем, из серебра или алюминия для производства наночастиц этих материалов. Затем они определили, что если они изменят длительность импульса с одной миллисекунды до двух или более, то смогут изменить средний размер частиц, чтобы он подходил для более широкого спектра применений. Открытие было «действительно захватывающим», говорит сейчас Шредер, но извлечь из него выгоду оказалось сложно, учитывая отсутствие коммерческого спроса на наночастицы в то время. Компания была на грани банкротства.
Примерно в это же время, в 2001 году, Шредер унаследовал больную 12-летнюю немецкую овчарку по кличке Хайди. «У нее были эти гнойные раны диаметром в полдюйма и глубиной в полдюйма на коленях и локтях», — вспоминает Шредер. «Инфекция была настолько сильной, что она не могла встать». Он начал лечить Хайди мазью, предназначенной для собак и лошадей, но через пару недель ее состояние не улучшилось. «Я подумал, черт возьми, я не хочу ее усыплять», — вспоминает Шредер.
Но затем он вспомнил о серебряных наночастицах, которые разработала его компания. «Я слышал, что некоторые из этих веществ могут быть противомикробными», — говорит он. Поэтому он смешал наночастицы с мазью и нанес ее на раны Хайди. Через две недели они зажили, и Хайди смогла стоять и даже бегать. Теперь мазь с наночастицами — это одобренный FDA продукт, который больницы используют для лечения жертв ожогов. «Мы называли ее с любовью Хайди — Нанособака», — говорит Шредер.
Сегодня Шредер наиболее известен своим вторым изобретением наночастиц, которое он придумал, когда увлекся идеей печатной электроники.
«Я подумал, разве не было бы круто, если бы можно было взять картридж для струйного принтера, взломать его, добавить металлические наночастицы и сделать дисперсию, сделать чернила?» — говорит он. «Можно было бы напечатать провода на листе бумаги и сделать самую дешевую схему в мире».
Проблема в том, что более дешевые подложки, включая бумагу и пластик, воспламеняются при высоких температурах, необходимых для спекания или отверждения наночастиц в провода. (Для плавления серебра требуется температура 962 °C, но бумага воспламеняется при 233 °C, или при знаменитой в романах температуре 451 градус по Фаренгейту.) Не менее проблематично то, что печи, в которых происходит это спекание, часто очень большие и медленные, и они требуют много энергии.
Вот тут-то на сцену и выходит одноразовая камера.
«Первый я получил от Walgreens. Он стоил мне семь баксов, но я взломал его, чтобы продолжать мигать», — вспоминает он. Шредер говорит, что он придумал, что он может использовать интенсивную вспышку света, чтобы нагреть только наночастицы (которые черные и легко поглощают свет), спекая их вместе в провода так быстро, что бумажная или пластиковая подложка, на которой он их напечатал, не успеет расплавиться или деформироваться. Идея, объясняет Шредер, заключалась в том, чтобы использовать интенсивность вспышки (импульсную мощность) для генерации миллисекундных всплесков высокой мощности, используя минимальное количество энергии. «Это был один из тех редких моментов в технологическом развитии, когда быстрее, лучше и дешевле все происходило одновременно», — говорит он.
В конечном итоге он и его коллеги масштабировали концепцию вспышки до уровня промышленной системы, известной как PulseForge, которая может генерировать импульсы тепла, достаточно горячие для отверждения наночастиц в проводящие дорожки, и делать это так быстро, что их подложки выдерживают воздействие тепла.
«С этой технологией импульсной лампы — фотонного отверждения, так я ее назвал — мы можем дойти до температуры около 400 °C. Но мы можем сделать за одну миллисекунду то, что обычно занимает 10 минут или больше», — говорит Шредер. «Это заменяет печь, которая может быть длиной в сотни метров, занимать целое здание и потреблять тонны и тонны энергии». Сегодня он является техническим директором компании, которая теперь известна как PulseForge. Она предлагает цифровые системы термической обработки, которые делают производство более устойчивым и более доступным.
Хотя Шредер не может точно сказать, что именно производят клиенты компании, он утверждает, что технология PulseForge используется для производства бытовой электроники, которой сегодня владеют большинство людей.
После 30 лет экспериментов во многих областях, включая машиностроение, химию, импульсную мощность, нанотехнологии и печатную электронику, Шредер имеет 41 патент США и более 70 международных. Он дважды выигрывал престижную премию R&D 100 Award. В 2012 году Техасская государственная коллегия адвокатов назвала его Изобретателем года, а в 2023 году Ассоциация права интеллектуальной собственности Остина сделала то же самое.
Шредер говорит, что не проживет достаточно долго, чтобы изучить все идеи, которые крутятся у него в голове. Но он хотел бы дать начинающим изобретателям руководство — своего рода практическую и личную дорожную карту к успеху. Он уже начал писать книгу, которая называется просто «Как изобретать».
Книга была частично вдохновлена встречей, которую он организовал несколько лет назад для своей старшей дочери, которой тогда было 11 лет, и около 40 ее друзей из скаутской группы. Шредер назвал это «ярмаркой изобретений».
«Я сказал им: я хочу, чтобы вы определили проблемы в мире, — говорит он. — Вы попытаетесь их решить».
Он был настолько впечатлен идеями девочек, включая идею своей дочери — рюкзак, который выдает M&Ms, — что его что-то поразило. «Изобретать — это навык, а не талант», — говорит он. «Каждый может быть изобретателем, и, увидев, как эти 40 маленьких девочек придумывают чертовски хорошие изобретения, я понял, что для этого есть определенный процесс».
Один из его с трудом завоеванных советов — находить радость в этом процессе — быть счастливым просто потому, что эксперимент работает. «Не слишком сосредотачивайтесь [на том], собираетесь ли вы заработать миллион долларов или стать ответственным за это», — говорит он. «Потому что, знаете что? После этого будет еще сотня изобретений».
Однако есть одна нематериальная черта, которой должен обладать каждый изобретатель: видение того, что стакан не является ни наполовину полным, ни наполовину пустым.
«Изобретатель говорит: «Я могу сделать лучшее стекло», — говорит он. «Изобретатель всегда видит будущее, в котором все будет лучше».
Источник: www.technologyreview.com
