Worcester Polytechnic Institute: Eine Legacy der Innovation und Forschung

Das Worcester Polytechnic Institute (WPI) wurde 1865 gegründet und ist die drittälteste private Technische Universität der USA. In Worcester, Massachusetts, ansässig, fördert WPI Forschung in Bereichen von Gewebetechnik und regenerativer Medizin über die Untersuchung technologischer und politischer Fragen der Cybersicherheit bis hin zu Studien so vielfältiger Themen wie Feuerwehrgesundheit und -sicherheit sowie Brandschutzherausforderungen bei grünen Gebäuden.

Fünf übergreifende Forschungsbereiche

WPI hat fünf interdisziplinäre Forschungsbereiche entwickelt:

Gesundheit & Biotechnologie

WPIs Forschung in Gesundheit und Biotechnologie überschreitet mehrere Disziplinen und umfasst Schwerpunkte wie Zellbiologie, regenerative Biowissenschaften, Gewebemechanik und Mechanobiologie, Biophysik, Krankheitsbehandlung und Tierverhalten.

Robotik & Internet der Dinge

Robotertechnologien umfassen medizinische Robotik, Soft Robotics, Mensch-Roboter-Interaktion und unbemannte Luftfahrzeuge. Forschern stehen Robotersysteme wie WPIs Atlas Robot for Nonconventional Emergency Response (WARNER) zur Verfügung – ein 1,80 m großer humanoider Atlas-Roboter von Boston Dynamics, der WPIs Beitrag zur DARPA Robotics Challenge für Katastrophenreaktion war.

Mit über 250 Millionen Fahrzeugen auf amerikanischen Straßen suchen WPI-Forscher nach Wegen, diese Fahrten sicherer und die Fahrzeuge günstiger und umweltfreundlicher zu gestalten. Cyber-physische Systeme erleichtern die Interaktion von Menschen mit technischen Systemen dank komplexer und fortschrittlicher technologischer Anwendungen.

Fortgeschrittene Materialien & Fertigung

WPIs multidisziplinäre Forschung in Materialwissenschaft und -technik wird von der Erkenntnis angetrieben, dass die Zukunft von der Entwicklung neuer Materialien (einschließlich naturinspirierter Materialien), der innovativen Nutzung traditioneller Materialien und der Rückgewinnung und Wiederverwendung von Materialien abhängt. Umfassende Forschungsbemühungen adressieren Nachhaltigkeitsfragen in Energieerzeugung und Alternativenergie (Brennstoffzellen, Netzspeicher, Stromerzeugung durch Unterwasser-Drachen), Fertigung (schlanke Fertigung, nachhaltige Lieferketten, fortschrittliche industrielle Trocknung) und Mobilität (Herstellung flüssiger Transportkraftstoffe aus lignocellulosischer Biomasse).

Cyber, Daten & Sicherheit

Als Center of Excellence in Cybersecurity Research von der National Security Agency und dem Department of Homeland Security ausgezeichnet, betreibt WPI Cybersicherheitsforschung in einer breiten Palette von Disziplinen, die eine Vielzahl von Sicherheitsbedrohungen adressieren. WPI-Forscher konzentrieren sich auf die Verbesserung von Data-Mining-Tools und -Techniken sowie die Entwicklung neuer Methoden, um Big Data für datengestützte Vorhersagen und Entscheidungen zu nutzen. Im Brandschutzingenieurwesen wenden Forscher fortschrittliche experimentelle und computergestützte Techniken an, um ein breites Spektrum an Brandsicherheitsfragen zu bearbeiten.

Lernwissenschaften

WPI-Forscher in den Lernwissenschaften entwickeln Bildungstechnologien, die computergestützte Methodik mit theoretischen Rahmenwerken der Lern- und Sozialwissenschaften verbinden, um Themen wie instruktionale Technologien, Lernen mit Visualisierungen und Simulationen, Lernendeigenschaften, Mensch-Computer-Interaktion und maschinelles Lernen zu untersuchen.

School of Engineering

Die School of Engineering besteht aus 14 spezialisierten Abteilungen und deckt eine Vielzahl von Technologiebereichen ab.

Luft- und Raumfahrttechnik

Umfasst Wissenschaft und Technologien zur Entwicklung und Verbesserung von Flugzeugen und Raumfahrzeugen. Mit Einrichtungen wie Windkanälen, Vakuumkammern und Steuerungsinstrumentierung umfassen technische Bereiche Fluide und Plasmen, Antrieb und Energie, Regelung und Dynamik, Strukturen und Materialien.

Biomedizinische Technik

Arbeitet an Fortschritten so vielfältig wie wundheilende Nahtmaterialien, Blutgefäßtechnik, Vitalzeichenüberwachung für Feuerwehrleute und Orthesen zur Gelenkstabilisierung.

Chemische Verfahrenstechnik

Forscher lösen reale Probleme in Umweltschutz, erneuerbaren Energien und Biowissenschaften durch Entwicklung neuer Technologien, Prozesse und Materialien.

Bau- und Umweltingenieurwesen

Themen: Nachhaltigkeit, Naturschutz, Design, Konstruktion, Architektur, Energie. Technische Bereiche: Straßenbau und Baumaterialien, Analyse und Design von Tragwerken und Smart Structures, Bau und Design-Construction-Integration, physikalisch-chemische Behandlung, Energie und Nachhaltigkeit, Wasserressourcen, nachhaltiges Bauen.

Elektrotechnik & Informatik

Forschungsschwerpunkte: Maschinelles Lernen, Kryptographie und Informationssicherheit, Signalverarbeitung, autonome Fahrzeuge, Smart Health, Prothesensteuerung, analoge und digitale Mikroelektronik, drahtlose Informationsnetze. WPI-Innovationen umfassen die Erfindung des negativen Rückkopplungsverstärkers und die Grundlagen der ersten drahtlosen lokalen Netzwerke (WLAN).

Brandschutztechnik

Eine von nur drei Brandschutzstudiengängen in den USA. WPIs Arbeit beeinflusst und formt Regulierungspolitik, Gebäudedesign, Fertigungsprozesse, Ersthelfer-Operationen und Produktleistungsstandards. Forschung in Materialien, Verbrennung und Explosionsschutz, Gebäude- und Brandsystemen, Feuerwehrsicherheit und -politik, menschlichem Verhalten und Evakuierung, Design und Regulierung, Brandauswirkungen auf Gebäude, Infrastruktur und Umwelt.

Industrial Engineering

Dient als Brücke zwischen Ingenieurwesen und Management zur Analyse und Anpassung von Prozessen oder Neuentwicklung. Ob Fertigungsverfahren oder Neugestaltung physischer Räume – Industrial Engineers identifizieren die benötigten Personen, Materialien, Technologien, Informationen und Energie für effiziente Prozesse.

Fertigungstechnik

Umfasst Robotik, Fertigungs- und Materialbearbeitung, Steuerungssysteme, Zerspanung, Schleifen, CNC-Ausbildung, Werkstofftechnik und Oberflächenmetrologie.

Materialprozesstechnik

Fokussiert auf Materialwissenschaft, Materialverarbeitung und Geschäftspraktiken. Fertigungsprozesse wie Nanomaterialien und Biopolymere sowie Themen wie schlanke Fertigung, Gießen und Wärmebehandlung, Kostenanalyse Brennstoffzellen, Oberflächenmetrologie.

Werkstoffwissenschaft & Werkstofftechnik

Konzentriert sich auf Herstellung, Nutzung und Recycling von Materialien; Entwicklung und Verarbeitung neuer Materialien und Produkte; innovative Nutzung traditioneller Materialien. Fundiertes Verständnis von Materialien auf Nano-, Mikro- und Makroskala: Struktur, Verarbeitung, Eigenschaften, Leistung, Kinetik, Thermodynamik.

Maschinenbau

Stärken: Thermische Wissenschaften, Nanotechnologie und Nanomaterialien, Biomechanik und Medizinprodukte, additive Fertigung und gedruckte Elektronik, Photonik und Optomechanik, Sensoren und Messtechnik, Metallverarbeitung, Batterien und Elektrochemie, Solarzellenmaterialien.

Robotik

Forschung in Mensch-Roboter-Interaktion und -Schnittstellen, Roboterbewegungsplanung und -steuerung, medizinische und assistive Roboter, Sensoren/Aktuatoren und Roboterdesign, Robotik und KI, menschliche Augmentation, robotische Manipulation, Soft Robots, autonome Fahrzeuge, eingebettete Systeme für Roboter, Multi-Roboter-Systeme.

Systems Engineering

Ganzheitlicher Ansatz für Design, Konstruktion und Wartung von Systemen. Themen adressieren sowohl Ingenieur- als auch Managementaspekte: künstliche Intelligenz, modellbasiertes Systems Engineering, Requirements Engineering, Systemarchitektur und -design, Validierung und Verifikation.

Technologien

Wellenbewegungsforschung am WPI könnte eines Tages eine schusssichere Weste schaffen, die nicht nur Geschwindigkeit, Anflugwinkel und Größe eines herannahenden Geschosses erkennt, sondern deren Material sich augenblicklich am genauen Aufprallpunkt verändert, um größeren Stoßschutz zu bieten. Granulare Materialien könnten in persönlicher Schutzausrüstung wie Westen und Helmen für Militär, Polizei, Athleten und Bauarbeiter eingesetzt werden – oder als Schutzhülle für Gebäude, die Internationale Raumstation, Satelliten und Raumfahrzeuge vor Weltraummüll und Meteoriten.

Ein WPI-Team fand, dass Extrakte aus Blättern der Artemisia-annua-Pflanze (Einjähriger Beifuß, auch Süßer Wermut) die Replikation des SARS-CoV-2-Virus (Erreger der COVID-19-Pandemie) und zweier aktueller Varianten hemmen. Ein oder mehrere Pflanzeninhaltsstoffe könnten auf eine sichere, kostengünstige therapeutische Behandlung für SARS-CoV-2 hinweisen.

Ingenieure entwickelten eine Smartphone-App für Kontaktverfolgung zur Eindämmung von COVID-19, ohne Privatsphäre oder persönliche Sicherheit der Nutzer zu gefährden. Zwei Datenerfassungsmethoden: (1) App verfolgt Nutzerstandort, verschlüsselt gespeicherte Daten und sendet diese ohne personenbezogene Informationen an einen Server der Gesundheitsbehörde. (2) Nur Informationen von positiv Getesteten werden hochgeladen und öffentlich zugänglich gemacht, ohne die Infizierten zu identifizieren, sodass jeder selbst prüfen kann, ob er Kontakt hatte.

Ein kritisches Diagnosewerkzeug in Entwicklung: ein robotergestütztes Ultraschallgerät zur Erkennung von Krankheitssymptomen in der Lunge – eine bedeutende Entwicklung, die es Gesundheitsdienstleistern ermöglicht, ihre Exposition gegenüber dem Virus bei der Beurteilung von COVID-19-Patienten zu minimieren. Die Plattform eliminiert physischen Kontakt zwischen Patienten und medizinischem Personal während Scans nahezu vollständig, minimiert Ansteckungsrisiko bei gleichzeitiger Erfassung vitaler Daten.

WPI erzeugte erneuerbaren Kraftstoff aus Klärschlamm, einem Abfallprodukt der Abwasserbehandlung, das bei Deponierung Treibhausgase und Wasserverschmutzung verursacht. Hydrothermale Prozesse, hohe Temperaturen und Druck sowie kostengünstige Katalysatoren wandeln Klärschlamm – und die darin enthaltene Energie und Kohlenstoff – in Erdgas um. Zudem können bei dem Verfahren extrahierte Nitrate und Phosphate landwirtschaftlich genutzt werden.

Eine partielle Handprothese wurde entwickelt, die es ermöglicht, Finger an eine partielle Hand anzubringen, um einen Teil der Fingerfunktionalität zu ersetzen. Ein Armband beherbergt den Aktuator für Daumenbewegung und ein kleines Magnetventil, das ihn fixiert. Eingebaute Sensoren ermöglichen es dem Nutzer, mit dem winzigen Rest eines Fingers zu drücken, woraufhin der Prothesendaumen vor- und zurückbewegt wird.

Ein WPI-Mathematiker unterstützt das US-Heer bei der Entwicklung eines fingernagelgroßen chemischen Sensors, der an der Außenkleidung getragen werden kann, um gefährliche Chemikalien schneller zu erkennen und die Fehlalarmrate zu senken. Der tragbare Sensor ahmt die menschliche Nase nach: Jeder Sensor detektiert Kombinationen mehrerer Moleküle – einer könnte Dieseldämpfe und ein spezifisches Kampfmittel erkennen, ein anderer Dieseldämpfe und Feuchtigkeit. Die Ergebnisse werden kombiniert für eine vollständigere und genauere Bewertung der Umgebungschemikalien.

Ein pflastergroßer Sensor wurde entwickelt, um den Blutsauerstoffgehalt eines Babys zu messen – ein vitaler Indikator für Lungenwirksamkeit und ob das Gewebe des Kindes ausreichend mit Sauerstoff versorgt ist. Anders als aktuelle Krankenhaussysteme ist dieses miniaturisierte Wearable flexibel, dehnbar, drahtlos, kostengünstig und mobil, möglicherweise ermöglicht es dem Kind, das Krankenhaus zu verlassen und remote überwacht zu werden.

Ein autonomer Rover und eine lastenabwerfende Drohne wurden entwickelt, um gemeinsam nach Landminen zu suchen und diese zu zünden. Der Rover detektiert und markiert Minen mit einem kostengünstigen Metalldetektor, der bereits ein Gramm Metall in 5–7,5 cm Tiefe wahrnimmt. Die Drohne wirft dann kleine Sandsäcke auf die Minen, um sie sicher zu zünden.

WPI-Ingenieure schufen ein 3D-Druckverfahren, das zur Reparatur von Fahrzeugen und anderer kritischer Technik im Feld eingesetzt werden kann, um lange Wartezeiten auf Ersatzteile zu vermeiden und die Einsatzbereitschaft militärischer Einheiten zu erhöhen. Es nutzt Kaltgasspritzen (Cold Spray), um Metallteile zu reparieren oder sogar neue Teile von Grund auf durch schichtweises Aufbringen von Metall im 3D-Druckprozess herzustellen. Der Prozess lässt sich auf einen tragbaren Handapplikator für den Feldeinsatz reduzieren.

Um NASA-Raumfahrzeuge leichter und schadensresistenter zu machen, entwickelte WPI Methoden zur Erkennung von Unvollkommenheiten in Kohlenstoffnanomaterialien, die für Verbund-Raketentanks und andere Raumfahrtstrukturen verwendet werden. Ein Algorithmus erhöht die Auflösung von Dichtescanning-Systemen zur Fehlererkennung in Miralon® – einem starken, leichten, flexiblen Nanomaterial. Miralon wurde verwendet, um Strukturträger in NASAs Juno-Sonde, die den Jupiter umkreist, zu umwickeln, um Vibrationen und statische Entladung zu dämpfen.

Technologietransfer

Das Office of Technology Commercialization (OTC) identifiziert, bewertet, schützt, klassifiziert, vermarktet und lizenziert die an WPI entwickelten geistigen Eigentumsrechte. Um verfügbare Technologien kennenzulernen, besuchen Sie hier.

Um eine WPI-Erfindung zu lizenzieren, kontaktieren Sie Todd S. Keiller, Director of Intellectual Property and Innovation, unter E-Mail-Adresse; 508-831-4907.