В Вашингтоне состоялся финал престижного конкурса Regeneron Science Talent Search — старейшего и самого авторитетного научного состязания для старшеклассников в США. Автор научно-популярного канала Veritasium Дерек Мюллер отправился на церемонию награждения, чтобы лично оценить оригинальные проекты трех финалистов, претендующих на главный приз в размере 250 тысяч долларов. Молодые исследователи представили прорывные решения на стыке медицины, астрофизики и экологии, доказав, что школьная наука способна конкурировать с разработками ведущих институтов.
👁️ Переизобретение фороптера: доступная диагностика зрения 0:53
Традиционный фороптер — массивный оптический прибор, используемый офтальмологами для подбора очков — практически не менялся последние два столетия. Он содержит десятки высокоточных стеклянных линз, что делает его тяжелым, громоздким и крайне дорогим. Из-за этого более половины населения планеты лишены возможности пройти качественную диагностику зрения, поскольку не могут позволить себе визит в специализированную клинику. Старшеклассник Роник Рой решил исправить эту проблему, представив полностью портативный аналог устройства.
В основе изобретения Роника лежит использование так называемой жидкой линзы, которая заменяет громоздкую систему традиционной оптики. Технология работает следующим образом:
- Внутри линзы находятся капля полярного вещества (воды) и капля неполярного вещества (минерального масла).
- При подаче электрического напряжения полярная жидкость меняет свою форму, притягиваясь к поверхностям линзы или отталкиваясь от них.
- Изменение формы этого «пузыря» меняет угол преломления проходящего света, что позволяет динамически регулировать фокусное расстояние.
Управление прибором осуществляется через специальное приложение на смартфоне. Встроенный алгоритм генерирует пары различных напряжений для линзы, а пациент с помощью кнопки на обычных наушниках выбирает, при каких настройках изображение кажется ему более четким. Три статические стеклянные линзы в конструкции оптически имитируют расстояние в 20 футов (около 6 метров), воссоздавая условия полноценного кабинета офтальмолога в компактном корпусе. Ведущий канала Дерек Мюллер протестировал устройство на себе, и прибор безошибочно определил у него легкую близорукость в -1.25 диоптрии.
🌌 Математика против космической темноты: как найти скрытые экзопланеты 3:44
Космический телескоп «Кеплер» стал самым успешным охотником за планетами вне Солнечной системы, обнаружив более 2000 экзопланет. Однако его возможности ограничены: телескоп фиксирует планеты по методу транзита — когда планета проходит строго перед диском звезды, временно снижая ее яркость. Если орбита маленькой планеты проходит чуть выше или ниже, или если период ее обращения превышает четыре года (время работы миссии «Кеплер»), зафиксировать ее стандартными методами невозможно. Ана Хамфри разработала математический алгоритм, позволяющий находить такие «невидимые» космические тела.
Вместо прямого поиска Ана сосредоточилась на изучении уже известных многопланетных систем. Она рассчитала математические границы стабильности между орбитами обнаруженных планет, чтобы определить, может ли там поместиться еще одна гипотетическая планета («Планета X») без нарушения гравитационного баланса системы. В основу ее вычислений легла гипотеза упакованных планетных систем, согласно которой звездные системы стремятся вместить в себя максимально возможное количество планет.
По расчетам Аны, в исследованных системах существует 560 потенциальных локаций, где могут скрываться неизвестные планеты. Чтобы подтвердить их реальное существование, исследовательница предложила использовать метод «складывания данных» (folding the data):
- Если математическая модель предсказывает у скрытой планеты орбитальный период, например, в один месяц, ученые берут массив данных за год.
- Годовой архив разбивается на 12 равных частей и накладывается друг на друга.
- Слабые транзитные сигналы, которые раньше терялись в космическом шуме, суммируются, создавая четкий пик, поддающийся фиксации.
🧪 Борьба с невидимым ядом: портативный сенсор мышьяка 6:26
Анджали Чара, выпускница школы DuPont Manual, обратила внимание на глобальную экологическую проблему — загрязнение питьевой воды опасными токсинами. Ее проектом стал недорогой автоматизированный сенсор для обнаружения мышьяка. Поскольку этот элемент в природе практически никогда не встречается в чистом виде, а всегда связан с другими веществами, его сложно быстро зафиксировать в полевых условиях. Анджали разработала прототип, автоматизирующий сложный химический анализ.
Процесс тестирования воды разбит на несколько технологических этапов:
- В специальный отсек заливается образец воды, после чего запускается последовательная химическая реакция с участием винной кислоты, смеси солей (гидросульфата калия) и цинка.
- Реакция высвобождает связанный мышьяк, переводя его в газообразную форму — арсин.
- Выделяющийся газ вступает во взаимодействие с тестовой полоской, покрытой бромидом ртути. Полоска окисляется и меняет цвет в зависимости от концентрации яда.
Затен в дело вступает цифровая часть прибора. Встроенная камера ArduCam делает снимок окрасившейся полоски, а разработанный Анджали алгоритм обрабатывает изображение, извлекая цветовые значения и преобразуя их в точные данные о концентрации. С помощью микроконтроллера Particle Electron и сотовой антенны собранная информация мгновенно отправляется в облачное хранилище. По словам Анджали, это позволяет как местным жителям оперативно узнавать о безопасности своих источников, так и крупным исследовательским организациям собирать глобальную карту загрязнений для последующей очистки воды.
🏆 Триумф на сцене и перспективы в большой науке 8:46
Кульминацией конкурса стала торжественная церемония, на которой объявили имена победителей. Вне зависимости от итогового места, все 40 финалистов получили денежные призы не менее 25 тысяч долларов. Главную награду конкурса и чек на 250 тысяч долларов завоевала Ана Хамфри за свое математическое исследование экзопланет.
Дерек Мюллер привел важную статистику для американских старшеклассников: ежегодно школы в США оканчивают около 3,6 миллиона человек, но заявки на конкурс Regeneron STS подают всего порядка 2000 учеников. Это означает, что каждый участник, представивший свой научный проект, имеет феноменальный шанс 1 к 50 выиграть как минимум 25 тысяч долларов и получить мощный карьерный старт.
Научные успехи Аны Хамфри уже получили признание в высших академических кругах. Ведущий показал её расчеты профессору планетологии Калифорнийского технологического института Константину Батыгину, который принимал участие в предсказании Девятой планеты Солнечной системы. По оценке Батыгина, работа Аны поражает своим качеством и выполнена на уровне как минимум выпускника бакалавриата или даже аспиранта PhD-программы. Дерек Мюллер также отметил, что во время недавней исторической пресс-конференции, посвященной первому в истории снимку черной дыры, именно Ана Хамфри находилась в зале и задавала вопросы ученым, что подчеркивает ее глубокую вовлеченность в фундаментальную науку.
