弹簧溜冰鞋

简易消防员救助喷雾器

模块化恢复辅助装置

步伐传感器

最先进龙虾捕网

简易凸轮动力系统

每年《大众科学》杂志在年中时分公布“十大最佳发明奖”已成一种惯例。2012年是它的第6个年头，该奖项以严格的审批过程著称——需考量哪些是年度“天才级”的发明？哪些有能力解决严峻情势问题？又有哪些即将成为现实世界的产品？这让许多人都对这一榜单翘首以盼。

有趣的是，尽管遴选标准很严肃，但在最后入榜名单中，被称“草根”味十足者不时有之——因许多获奖设计十分贴近工作生活中的细枝末节，甚至可能琐碎到让你以为它被发明出来只为博人一笑。但它们仍旨在最大程度地便民助人，或是彰显出一种前所未有的发明思路。无论怎样，据《大众科学》自己称，今年的评选程序依旧堪称“严峻”，在“万中选十”的擂台上一直“站”到最后的，就是以下十位选手。不妨看看它们是否保持住了该奖项一贯的水准。

1.五千年只此一变？

弹簧溜冰鞋

大卫·布鲁瓦平时的主要工作是管理多伦多附近的公寓，不过他也会在任何空闲的时候去搞一搞自己最喜欢的小发明创造——比如太阳能烟雾探测器，或者去除老年斑的护肤霜。1998年，布鲁瓦正在当地溜冰场溜冰，一个新奇的点子忽然钻进了他的脑子：能不能发明一种装配了弹簧的溜冰鞋，可以令溜冰者更加自由地掌控自己的动作力度？布鲁瓦决定将这个主意付诸实践。尽管研究过程的困难超出想象，但当专利局告知还从来没有人有过与自己一样的想法时，他感受到了一个创新者的兴奋。

可以说，从冰鞋被人类发明出来那天起，不管是最早期利用兽皮加磨砺的鲸鱼骨头，还是利用碳纤维与不锈钢，5000年来，溜冰鞋的基本结构没有发生过太大的变化：放脚的靴子、冰刀和将它们绑在一起的东西。布鲁瓦为这三大件增加了一个新元素——弹簧。在他制作的原型鞋中，布鲁瓦在分别位于脚趾和脚跟的原本安装冰刀的两个空洞中放进了两个压缩弹簧，然后再把冰刀装上。这样当溜冰者开始移动自己的脚时，弹簧便会被压缩，冰刀也将相应地收入冰鞋内几毫米。而当溜冰者抬起脚时，弹簧会释放出之前收蓄的能量，冰刀则回到了初始的位置，溜冰者因此获得了额外的助推力。

布鲁瓦的发明创意十足，可惜的是，他自身没有足够的资金去雇请专业人员进行疲劳性实验等进一步的研究。所幸很多人已经看到了商机——现在，一位运动理疗师迈克·奥斯丁表示，运动员穿上这款新鞋之后，只需脚趾发力而不像以往需要整个脚掌发力便可前行，并且持续溜冰20分钟也不会感觉任何疲劳。这可以有效减少肌肉和关节的损伤。

2.他们保护你，什么保护他们？

简易消防员救助喷雾器

迈克·罗宾逊是田纳西州的一名消防员。在去年秋天的一次火灾抢救中，他发现自己的一名同事因为火场中的高温和巨大的体力消耗而出现神志混乱，便立刻将他搀出了事故现场，并不断用湿毛巾帮助他降低体温。最终，这名消防员的体温回到了正常水平，捡回了一条性命。

在迈克看来，这种幸运的情况并不是经常出现。据统计，火场范围内的高温会增加消防员出现心脏骤停的风险几率，这也是导致过半数因公殉职悲剧的罪魁祸首。一般情况下，发达地区资金充裕的消防部门会采购喷雾风扇和降温背心来帮助消防员抵御过热的威胁。但是对于迈克所在的边远地区来说，甚至连一支职业消防队都供养不起（美国全国的消防员中，71%是志愿人员），更别提购置降温背心这样昂贵的专业设备。

于是，自那次险情之后，迈克开始寻找一种经济可行的对抗高温、拯救队友的方法：喷雾风？效果明显！但是除了价格昂贵，还需要外接电源，此外，它不仅要占据消防车很大一片空间，组装过程也非常繁琐。不过，迈克很快想出了解决之道，为什么不把每个消防车上都有的制式栓口改造成水雾风扇呢？毕竟每次救火时，消防车水箱上的6到8个栓口中，常常有1到2个是处于闲置待命状态。

几周后，迈克通过朋友的工厂做出了原型。他把这项发明命名为“热量捕猎者”。利用6个安装在栓口上的雾气喷嘴，一辆消防车能够将两位消防员完全笼罩在凉爽的水雾当中，足够降低30华氏度的温度，而一小时仅仅耗水两加仑。

3. 骨折过的人会明白

模块化恢复辅助装置

凯利·安德森在接受手腕手术两个月后摘下了固定石膏，却发现自己的关节是如此的僵硬，甚至无法旋拧门把手。即便是又过了4个月，这种后遗症依旧没有得到彻底的恢复。与安德森有一样遭遇的，还有其他许多患者，他们都在拆除固定装置之后，深为阻碍恢复的并发症所困扰——长时间不进行运动，虽然有利于骨骼的愈合，但是却给肌肉和关节带来了麻烦。

2009年，弗吉尼亚大学生物工程系的教授向自己的学生提出了这个问题，并鼓励他们想出解决的办法。学生们积极着手行动，在考虑了多种可行性之后，他们决定制作一个模块化的固定装置。这种新装置既能够如传统装置一样保证整条肢体的安全，又可以让医生根据不同位置骨骼的恢复情况来灵活拆解模块。这样，各个位置的肌肉组织和关节就可以一个接一个地进行活动锻炼，畅活血脉，重获敏捷。实验显示，这种固定装置能够将以前的恢复疗程缩短一半。

这款被称为“谜团石膏”的固定装置由6个可拆卸部件组成。其中两块支撑着前臂和手，让骨折的肢体保持稳定；其他部件限制着下臂的四个动作：肘部弯曲，上下摆动，左右摆动，手腕转动。一位模具技师负责组装这整套模具：先把热成形塑料放在热水中加热，再绕着病人胳膊戴好，使之成型，然后用铆钉紧固各个部件。安装时间跟标准石膏模差不多长。要想把其中一个部件拆掉，医生只需把铆钉取下。

到了2011年，这些学生获得了来自美国国家大学发明和创新者基金支持。下一步他们将致力于将自己的发明推向医疗器械市场。

4. 最具科技含量的鞋垫

步伐传感器

乔·克里斯蒂安森在成为发明家之前的职业，是一位航海船长。1985年，他受雇去驾驶一艘仿制“五月花”号的海船，来重演几百年前第一批英国人从弗吉尼亚的詹姆斯敦踏上美国新大陆时的情景。乔没有料到，这次航行任务，会成为自己职业生涯的终点。一天，他正在打扫船壳，有人突然启动了船只。乔的腿不幸被卡在方向舵和一根桅柱之间，导致他左膝以下大部分神经严重受损，左脚永远地失去了感觉。

如今，乔借助拐杖的帮助还能够行走，但是麻烦的是，因为左脚没有知觉，他需要不时低头查看脚步，来避免失足踏空。这种窘状在2003年他遇到另外两位同病相怜者——工程师理查德·哈色胡斯特和史蒂夫·威廉斯之后，出现了转机。威廉斯提出了创意：每当无感应的左脚踩到地面时，能否用某种音调来通知他的大脑呢？

3年之后，3位患者合力做出了这款名为Sensastep装置的原型。这块泡沫鞋垫上安装着13个压力感应器。当使用者的脚跟或者脚趾踩到地面，脚踝处的发射器便会向放置在耳朵里的接收器发送信号。接收器以震动的方式刺激耳蜗神经，向患者传递脚部已经落地的信息。其中，不同的振幅代表着脚的不同部分碰触地面，这使得患者在行走时，能够精准了解自己脚步的触底情况，不必因为害怕跌倒而低头查看步伐。

这款设备还可以帮助因糖尿病或者帕金森症导致的感觉丧失或者运动功能失灵的病人，以及因中风或者受伤而出现平衡问题的人。现在乔和他的伙伴正计划找一家医疗设备公司，实现产品的商业化生产。

5.减少洗澡的“罪恶感”？

可循环淋浴器

没有其他居家活动能够比洗澡这件事浪费更多的水和能源了——在几乎所有人的洗浴过程中，大量含有热能的热水往往都白白地流入下水道。所谓节水的莲蓬头，效果也不过寥寥，且更是以牺牲冲淋的舒适性为代价。

2004年，英国皇家艺术学院工业设计系学生皮特·布鲁因开始着手发明一种不必借助低水压来节水的节能淋浴器。鉴于大部分的国家要求洗浴用水必须达到一定的饮用水标准，布鲁因的新发明就不仅仅只是实现水的收集和再利用。为此他设计了一种迷你型水处理设施，可以不间断地收集、清洁和再循环一次洗浴所使用水的70%。即便算上该装置所消耗的能量，它也比普通淋浴设备节能40%到70%——因为它不必对水进行再次加热。

听起来，这种方式虽然减少洗澡费水的“罪恶感”，但似乎也降低了沐浴能带来的“清洁感”。于是，考虑到大部分其他水处理装置即时处理能力和效率的低下，布鲁因决定采用快速净化牛奶时常用的巴斯德氏杀菌法（即巴氏杀菌法）。一般情况下，洗澡水流入下水道时还保持着105华氏度的温度。只需借助一个热转换器和小型电加热器，便能够将其再提高56华氏度，达到巴氏杀菌法要求的162华氏度标准。

一年下来，一个使用布鲁因设备的普通家庭，将会少用2万到3.2万加仑的水，而当地的污水处理厂也可节省200千瓦时电能。

6.谁说环保与极速不可兼得

高效低耗引擎系统

对于弗拉克·威尔来说，自己一生中最美好的时光，都被用在了不断追逐更高引擎性能之上。上世纪70年代，十几岁的威尔就开始参加德国国内的摩托车比赛，并且在1991年赢得了世界冠军的头衔。在退役之后，他来到澳大利亚，成为福特公司的一名汽车工程师。2008年，威尔离开了福特，开始了另一项新事业：“超越7”，一套借助重定向和燃油加热技术，可降低7%油耗与多达30%尾气排放的引擎装置。

“超越7”能够以不燃烧引擎的方式，将燃油加热到高于常规的温度，使其不再过于黏稠。一般情况下，一台以中等速度工作的引擎及其中的燃油温度，会保持在200华氏度左右。而安装了“超越7”之后，燃油的温度会上升到250华氏度到300华氏度，但引擎本身依旧保持在200华氏度。

在“超越7”的模型中，人们可以看到，一支旁通软管将本应流向油盘的热燃油集中起来，然后送往一台回收发动机废气热能的热转换器。在这里，燃油被加热到更高的温度，当然，并不会超过大多数汽车制造厂家所规定的极限高温标准。一只恒温器会保证燃油的温度始终不超过300华氏度。

燃油的温度越高，会令机轴的旋转与油泵的运转更加容易，引擎也因此降低了燃油的消耗，提升了功率。最后，连带着含有一氧化碳、二氧化碳和氮气的尾气排放，也大大减少。

7. 沙场犹有未归人

可充气腰腹止血带

当理查德·施瓦茨作为军医参加“沙漠风暴”行动时，他几乎见到过所有类型的枪伤，尤其是腰腹和大腿以上部位，因为无法被防弹衣所覆盖，所以这些地方最容易遭到敌方士兵的瞄准。更为糟糕的是，传统急救方式并不能很好地处理身体中段的伤势，这里无法采用包扎的方式来阻止动脉出血。正因如此，许多士兵在短短几分钟内就失去了生命。

2006年，在一次医疗会议上，已经是乔治亚健康科学大学急救系主任的施瓦茨，与同样做过军医的约翰·克鲁肖恩一见如故。不久之后，他们便开始共同研究一种有效应用于腰腹的止血带。最初，他们发明了一种装在皮带上的楔状气囊。急救时，医生将其缠绕在伤者腹部，然后用手动泵进行充气，不断压迫主动脉向脊椎靠拢，最终止血。

然而在战争环境中，运送伤者往往非常匆忙，如何才能让止血带工作得更加稳定，是施瓦茨和约翰需要进一步改进的地方。他们采用增加一个底座来提供稳定性，以及一个绞盘来加固和锁定止血带的方式解决了问题。

这项发明首先被应用到实验猪身上，而后是人体。2011年10月，施瓦茨和约翰向美国食品和药物管理局（FDA）提出了专利申请。他们本以为需要3年时间，未料到仅仅8天之后，FDA就通过了该研究提出的所有申请。美国军方很快采购了60条腰腹止血带装备到一线部队——尽管看似数量不多，但随后英法两国也很快表达出了浓厚的兴趣。

8. 无需“三天打鱼两天晒网”

最先进龙虾捕网

在常规的捕鱼季节，大部分捕猎龙虾的渔民一般3到4天，才能出海去收获自己的龙虾捕网，并换上新饵。毕竟每一次出海至少需要花费多至600美元的燃油和18个小时的高强度劳作。然而对于捕虾来说，3到4天的间隔显然过于漫长。龙虾们在这段时间里早已经把作为诱饵的鲱鱼或鲭鱼吃光，然后扬长而去，留下空网一张，因而那些分布在纽芬兰岛至北加州洋面上的龙虾捕网，至少有一半时间是空着的。

加拿大新斯科舍省一家制造绞盘、起重机等渔业设备的企业老板文斯·斯图尔特决定改变这一状况。2003年，文斯第一次从客户那里听到了关于龙虾捕网空置的问题。随后他便开始制作一款称为“美味鱼饵”的装置。它能够在龙虾捕网被安置几天之后，才开始缓慢释放龙虾诱饵。这样就可以让此前3到4天便要辛苦出海一趟的渔民们，现在可以休息5天以上，节省了时间、劳动和燃油。

不过，“美味鱼饵”这款产品制作成本很高，于是2010年，文斯向帮助发明者实现发明商业化的戴尔豪西大学实验室求助。该实验室主任马特·安特蒙与他一道制作出了新的设备，其中包含可以安装在标准捕网底部的基座，让渔民们挂置诱饵的金属龙骨等。这套设备的关键在于一根控制诱饵释放频率的“保险丝”——一条在水中按照设定时间进行生物降解的鱼类身体。安装了这条保险丝的“美味鱼饵”，已经能够保持80个小时的鱼饵释放。

9.真正“眼观六路”

增加真实度的眼镜

在做了20年电气工程师之后，兰迪·斯普拉格在2008年选择了辞职，去创办自己多年来的最大梦想——一家太阳能公司。不过这个人生剧本由于他的突发奇想而发生了修改，兰迪的想法是：当人们眼睛看到目标物体时，自然看不到周围其他之物，那为什么不能将目标和所有人们视野所及之物都集中显示在一块电子屏幕上？

这个灵感让兰迪很快把太阳能公司抛到了九霄云外。不过最初做出来的设计样品笨重且视野狭窄，没有令他感到满意。但兰迪很快发现了解决方法，只要将屏幕移至普通眼镜的镜片上，并且让佩戴者带上安装一个影像过滤器的隐形眼镜，就可以避免之前遇到的问题。为了将自己的理想付诸实践，兰迪注册了自己的公司专门从事新型眼镜的研发。在18个月之后，他的努力得到了来自美国国家科学基金会的肯定和支持。

在兰迪的发明原型“iOptik”上，人们可以看到眼镜架的两只镜腿上分别安装了一对微型投影仪，它们能够将影像投映到聚碳酸酯材料的眼镜片上。同时，在使用者佩戴的每一块隐形眼镜片上，则装配了内外两组由精微导线制作的、可对进入人眼的光线进行筛选的纳米过滤器。外部的过滤器允许来自外部世界的非偏振光线进入，但内部的过滤器只留下来自眼睛所观察物体的光线，屏蔽其他波长的光线。这样，人们就能够在同一时间看到眼镜片上显示的目标物体与整个外部世界。使用者还可将眼镜转换到全封闭模式。该模式下，人们能够以眼镜片为电视屏幕来玩电子游戏，或者以120度的视角观看3D电影。

10.催生更简单的直升机

简易凸轮动力系统

10年前，当时还是销售主管的詹姆斯·奥尼尔，在第一次了解到直升机动力系统的运行原理后，便有了重新设计它们的念头。如今，奥尼尔正在和一群来自伍斯特理工学院的大学生们一起，对自己发明的“东北风”直升机动力系统进行改进，继续在保持动力不变的前提下，挑战直升机“瘦身”极限。

在起初，大部分的直升机都装配着巨大的传动装置，以便将引擎的最高速度控制在与主螺旋桨相匹配的范围之内，同时向尾部桨翼提供动力，来保持机身不陷入螺旋打转的失控状态。若干年前，工程师们取得了突破性的创新。通过在主螺旋桨之上安装一个朝相反方向旋转的同步旋翼，人们成功地取消了尾部发动机。不过这种反方向同步旋翼的设计，在现实中装配起来非常复杂冗繁。

奥尼尔的新发明便是针对于此。他想到了能够以一根机轴驱动多个凸轮的凸轮发动机。这种发动机可以实现两套旋翼同时以正确的速度旋转，而不需要再安装沉重的、维护起来相当麻烦的变速箱。借助它，奥尼尔研制了一款新的可以产生旋转力的凸轮动力系统，这有望催生出一种更轻、更低成本的新型直升机。

在奥尼尔的原型机上，8台相对布列的活塞驱动一对四叶的凸轮。每一个活塞负责为四叶旋翼中的其中一叶提供旋转力。整个发动机的功率达到了每分钟2000转，但四叶旋翼将这个速度降低到每分钟500转，这非常适合20000磅重量以下轻型或遥控直升机的动力需求。（记者 张梦然 综合外电）

《科技日报》（2012-7-3 八版）