Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie is verdrinking de derde belangrijkste doodsoorzaak wereldwijd. De sterfgevallen treffen onevenredig veel gemeenschappen met lage en middeninkomens, wier stranden vanwege de beperkte middelen vaak geen strandwachten hebben. Vorig jaar vonden 104 van de 120 gerapporteerde verdrinkingen in de Verenigde Staten plaats op onbemande stranden.
Dit voedde het droneproject van Angelina Kim. Kim is een senior op Bishop’s School in La Jolla, Californië. Haar Autonomous Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-systeem voor gevaarherkenning en oceaanredding: UAV Scout and Rescue Prototype Project werd in mei onthuld op Regeneron’s International Science and Engineering Fair (ISEF) in Los Angeles.
Kim’s project won dit jaar de eerste plaats in de IEEE Presidents’ Scholarship-wedstrijd: een prijs van 10.000 dollar die wordt betaald voor vier jaar universitaire studies. De IEEE Foundation heeft de prijs in het leven geroepen om een verdienstelijke student te erkennen wiens project blijk geeft van inzicht in elektrische of elektronische techniek, informatica of een ander IEEE-interessegebied. De beurs wordt beheerd door IEEE Educatieve Activiteiten.
Kim is al lang gemotiveerd om mensen in nood te helpen, vooral na de ziekte van haar moeder toen Kim nog jong was.
“Mijn hele leven ben ik vastbesloten manieren te vinden om een veiliger gemeenschap te creëren met behulp van technologie”, zegt ze. “Naarmate ik me meer ging verdiepen in robotica, realiseerde ik me dat technologie gebruikt kon worden om de mensen in mijn gemeenschap te beschermen.”
Kim en de winnaars van de tweede en derde plaats ontvingen ook gratis IEEE-studentenlidmaatschappen.
Ter gelegenheid van een kwart eeuw wetenschap heeft de IEEE bovendien een 25th Anniversary Award ingesteld ter ere van een project dat waarschijnlijk een verschil zal maken. Het werd ook uitgegeven op ISEF.
Drones die de levens van zwemmers kunnen redden
Het autonome dronesysteem van Angelina Kim, dat bestaat uit een verkennings- en een reddingsdrone, heeft tot doel verdrinkingen te voorkomen op stranden zonder strandwachten.Lynn Bowlby
Het autonome onbemande reddingssysteem bestaat uit twee soorten drones: verkenning en redding. De verkenningsdrone onderzoekt ongeveer 1 kilometer kustlijn, fotografeert deze en analyseert deze op stromingen die dodelijk kunnen zijn voor zwemmers.
De verkenningsdrone “implementeert een nieuwe versie van differentiële frameshift en een nieuw diepterisicomodel”, zegt Kim. Panning vergelijkt het vorige beeld met het volgende en registreert in welke richting de golf beweegt. Het algoritme detecteert stromingen en richt zich met behulp van een diepterisicomodel op sterke stromingen in de diepte, die gevaarlijker zijn. Als de verkenningsdrone een zwemmer detecteert die in een dergelijke stroming zit, roept hij de reddingsdrone op. Die drone laat een drijfmiddel vallen dat is uitgerust met een hijstouw en kan een zwemmer in nood naar de kust trekken, zegt Kim.
Reddingsdrones werken met pitch- en pitch-rotoren, waardoor ze in elke richting en richting kunnen vliegen.
Kim zegt dat ze geschokt en opgetogen was toen ze de prijs ontving: “Het voelde als een droom die uitkwam, omdat IEEE de organisatie is waar ik altijd al deel van wilde uitmaken.”
Ze presenteerde haar project dit jaar op twee IEEE-conferenties: de IEEE International Conference on Control and Automation en de IEEE International Conference on Automatic Control and Intelligent Systems.
Kim zegt dat sommige van de obstakels die ze tijdens haar project tegenkwam, haar tot een betere ingenieur maakten.
“Als alles perfect gaat, valt er niet veel te leren”, zegt ze. “Maar als het niet lukt, bijvoorbeeld als je per ongeluk een drone het huis van je ouders binnen laat vliegen, zoals ik deed, krijg je de kans om te leren.”
Hij is van plan om elektrotechniek of werktuigbouwkunde te gaan studeren aan de universiteit. Uiteindelijk, zegt ze, zou ze graag technologieën willen bouwen en in massa produceren die gemeenschappen tegen lage kosten helpen.
Detectie van kooldioxide in de bodem
Het Carboflux-apparaat van Sahiti Bulusu meet en monitort het koolstofniveau in de bodem om gegevens te verzamelen voor klimatologen. Lynn Bowlby
Volgens NASA is een teveel aan koolstofdioxide de belangrijkste oorzaak van de opwarming van de aarde en de klimaatverandering. Het verbranden van fossiele brandstoffen is een belangrijke bron van kooldioxide, maar het kan ook uit de aarde vrijkomen.
“Mensen houden geen rekening met de grote hoeveelheden CO2 die uit het land komen”, zegt runner-up Sahiti Busulu. “Koolstofflux is de snelheid waarmee CO2 wordt uitgewisseld tussen de bodem en de atmosfeer en kan verantwoordelijk zijn voor 80 procent van de netto koolstofuitwisseling van het ecosysteem.”
Busulu is een senior op de Basis Independent High School in Fremont, Californië.
Koolstofuitwisseling in ecosystemen is de overdracht van koolstofdioxide tussen de atmosfeer en de fysieke omgeving. Omdat met uitwisseling vaak geen rekening wordt gehouden, ontstaat er een datalacune. Om aanvullende informatie te verstrekken, heeft Busula het Carboflux-netwerk in het leven geroepen.
Het sensorknooppunt is ontworpen om de verbeterde CO-stroom te meten2 en toevoegen aan het Global Ecosystem Monitoring Network. Het systeem bevat drie hoofdsubeenheden: een stroomkamer, een reeks ondergrondse sensoren en een microcontroller met een gegevensoverdrachteenheid. Een gesloten fluxkamer bevat sensoren. Toen de CO2 zich ophoopt in de kamer, wordt de lineaire toename van de kooldioxideconcentratie gebruikt om de koolstofflux te berekenen. De tweede subeenheid gebruikt de gradiëntmethode, die de flux meet met behulp van de wet van Fick, kijkend naar CO2 gradiënt in de bodem en vermenigvuldigen met de bodemdiffusiecoëfficiënt. Op verschillende dieptes worden sensoren in de grond geplaatst om de helling te meten.
“Carboflux gebruikt gasconcentraties tussen diepten om te voorspellen wat de koolstofflux in de bodem zal zijn”, zegt Bulusu.
Het systeem is geautomatiseerd en levert realtime gegevens via een microcontroller en modem. Het apparaat bestudeert de bodemstroming, zowel boven- als ondergronds, zegt ze.
‘Het kan lokaal en mondiaal worden opgeschaald’, zegt ze, ‘en helpt lokale bronnen en putten van koolstof te lokaliseren.’ De gegevens kunnen wetenschappers ook een grootschalig mondiaal perspectief bieden.
Bulusu kwam op het idee met de hulp van mentoren en professoren Helen Dahlke en Elad Levintal.
“Ze vertelden me over het gebrek aan gegevens over de mondiale koolstofflux en het idee voor een CO2-netwerk2 flowsensoren”, zegt Bulusu. “Deze gegevens zijn nodig voor klimaatmodellering en mitigatiestrategieën.
‘Ik had niet gedacht dat ik zo gepassioneerd zou zijn over een project. Ik hou van wetenschap, maar ik had nooit gedacht dat ik iemand zou zijn die urenlang in de regen en de kou zou zitten om een probleem op te lossen. Ik heb zoveel in dit project geïnvesteerd en het is zo ver gekomen.”
Bulusu is van plan af te studeren in computerwetenschappen of milieuwetenschappen. Welk vakgebied hij ook kiest, zegt hij, hij wil het milieu verbeteren met de technologie die hij creëert.
Ze ontving een beurs van $ 600 voor haar project.
Toegankelijke communicatie voor ALS-patiënten
Gaze Link, ontwikkeld door Xiangzhou Sun, gebruikt een mobiele app, camera en kunstmatige intelligentie om mensen met ALS te helpen communiceren via oogbewegingen. Lynn Bowlby
Xiangzhou “Jonas” Sun bood zich vrijwillig aan om mensen met amyotrofische laterale sclerose, ook bekend als de ziekte van Lou Gehrig, te helpen. Nadat Sun en zijn familie tijd hadden besteed aan het helpen van ALS-patiënten en zorgverleners in Hong Kong en de Verenigde Staten, werd hij geïnspireerd om een mobiele app te maken om hen te helpen. Hij is senior aan de Webb School in Claremont, Californië.
Tijdens zijn vrijwilligerswerk merkte hij dat ALS-patiënten door de ziekte communicatieproblemen hadden.
“ALS beschadigt neuronen in het lichaam, en patiënten verliezen geleidelijk het vermogen om te lopen, hun armen te bewegen en te spreken”, zegt hij. “Mijn doel met Gaze Link was om een mobiele applicatie te creëren die ALS-patiënten kon helpen zinnen te typen met alleen hun ogen en zonder externe hulp.”
Deze goedkope smartphone-app maakt gebruik van oogbewegingsherkenning, AI-zingeneratie en tekst-naar-spraak-mogelijkheden om mensen met ALS-gerelateerde handicaps in staat te stellen de camera aan de voorzijde van hun telefoon te gebruiken om te communiceren.
Gaze Link werkt nu met drie talen: Engels, Mandarijn en Spaans.
De ooggebaren van de gebruiker worden toegewezen aan woorden en uitspraken, en er is een AI-functie ingebouwd om het volgende woord te voorspellen.
Sun’s passie voor zijn project is voelbaar.
“Mijn favoriete moment was toen ik het prototype Gaza Link naar de conciërges van de ALS Association bracht en zij waren dolgelukkig”, zegt hij. “Dat moment was erg emotioneel voor mij omdat ik gemotiveerd werd door die patiënten. Het gaf mij een enorm gevoel van voldoening dat ik ze eindelijk kon helpen.”
Sun ontving een studiebeurs van $ 400 voor de derde plaats.
Hij zegt dat hij van plan is zijn technische kennis te gebruiken om mensen met een handicap te helpen. Hij heeft ook een passie voor design en beeldende kunst, en zegt dat hij deze hoopt te combineren met zijn technische vaardigheden.
Gaze Link is beschikbaar via Google Play.
Inclusieve manier van coderen
Abhisek Shah’s AuralStudio stelt visueel gehandicapte ontwikkelaars in staat te coderen met behulp van de Rattle-taal die hij schreef, die hardop kan worden voorgelezen.Lynn Bowlby
De 25th Anniversary Award, ter waarde van $ 1.000, werd toegekend aan Abishek Shah, een senior aan de Green Level High School in Cary, NC
Vorig jaar had Shah een tijdelijk zichtprobleem waardoor het bijna onmogelijk was om naar een computerscherm te kijken, zelfs voor een korte tijd. Daarna kreeg hij, tijdens een bezoek aan familie in India, de gelegenheid om met enkele leerlingen van een school voor blinde meisjes in contact te komen.
Tijdens zijn interactie met de studenten, zegt hij, realiseerde hij zich dat ze vastberaden en gedreven zijn en financieel onafhankelijk willen zijn. Niemand overwoog echter zelfs maar een carrière in computerprogrammering, omdat hij geloofde dat dit vanwege hun visuele beperking verboden terrein was, zegt hij.
Hij vroeg zich af of er een oplossing was waarmee blinden konden coderen.
“Hoe kunnen we de manier waarop we vandaag coderen opnieuw ontwerpen en heroverwegen?” vroeg hij zich af voordat hij zijn AuralStudio ontwierp. Hij realiseerde zich dat hij zijn passie voor coderen goed kon gebruiken en creëerde een softwareapplicatie voor mensen met een permanente visuele beperking.
Dankzij de AuralStudio-ontwikkelomgeving kunnen visueel gehandicapte ontwikkelaars prototypes schrijven, bouwen, uitvoeren en testen.
“Dit is allemaal bedoeld om mensen met een handicap te helpen coderen”, zegt Shah.
Elimineert de noodzaak van een toetsenbord en muis ten gunste van een aangepast bedieningspaneel. Bevat een optie voor alleen spraak voor degenen die hun handen niet kunnen gebruiken.
Het testbord maakt gebruik van Rattle, een programmeertaal die Shah heeft gemaakt om voor te lezen, zowel vanaf de computer als vanaf de programmeur. AuralStudio maakt ook gebruik van acyclische digraphs om code weer te geven, waardoor het eenvoudiger en intuïtiever wordt. Shah schreef een tweedelig autocorrectie-algoritme om te voorkomen dat homofonen en homoniemen fouten veroorzaken. Dit gebeurt door AI in de app te integreren.
Shah gebruikte de programmeertalen Rust, C, JavaScript en Python. Raspberry Pi was de primaire hardware.
Hij werkte met visueel gehandicapte studenten van de Governor Morehead School in Raleigh, NC, en leerde hen de basisprincipes van programmeren.
‘De studenten waren zo leergierig’, zegt hij. “Het zien van hun ijver, moed en hardwerkende karakter was zo ontroerend en waarschijnlijk het beste deel van dit project.”
Shah zegt dat hij van plan is informatica en bedrijfskunde te gaan studeren.
“Alles wat ik doe zal het uiteindelijke doel hebben om de levens van anderen te verbeteren”, zegt hij.