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从沃尔玛到实验室,他让锤子不再震手,年销20亿美元

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一趟沃尔玛之旅、一只德国牧羊犬、一台便宜的一次性相机,这些看似普通的事物,却激发了 Kurt Schroder 博士的无限灵感,催生出了他那些突破性的发明。

如今,他是半导体供应商 PulseForge 的首席技术官,被公认为“光子固化之父”,该技术现已发展成为数字化热处理™ (Digital Thermal Processing™) 领域;他在读研究生期间就将脉冲功率概念应用于普通锤子,这使得锤子几乎没有振动,动量传递更大。该锤子授权给 8 家以上的制造商,销售额超过 20 亿美元;他在博士后研究期间,研发了世界上首个用于电磁炮弹丸的实时机载遥测系统。该系统在 15 特斯拉磁场中以 10 万重力加速度运行,速度高达 2.5 公里/秒,堪称电磁发射智能弹药的先驱。

凭借在机械工程、电气工程、化学工程、材料科学、辐射物理学和等离子体物理学领域的开创性发明,他在过去 35 年里不断突破脉冲功率的极限。他拥有 36 项美国专利和 60 多项外国专利,其中大部分与 PulseForge 技术及其应用直接相关。

改造锤子:从日常工具中挖掘创新

尽管从小在农场长大,Schroder 一心向往物理学,并申请了麻省理工学院。尽管常规课程的学习让他力不从心,但很快就在实验操作课程上展现出过人的天赋,并找到了属于自己的方向。

“我意识到,我还是想成为物理学家,不过或许得换个与众不同的方向。”

在 Schroder 之前,锤子已成为司空常见的工具,几百甚至上千年来都没人想过重新设计它。“所有锤子的标签上都写着‘减震手柄’,可我试了试,根本没效果。” 这也成为他研究的动力。

当时,Schroder 正在学习一门难度颇高的力学课程。其中一个 “特殊课题” 就是棒球棒。

由于一直被锤子的振动问题所困扰(挥棒击球和用锤子一样,都涉及挥动力学),Schroder 便阅读了有关波士顿红袜队传奇击球手 Ted Williams 的书籍,还采访了木匠,花了大量时间研究锤子,整天敲敲打打,以致于失去了部分听力。

他开发了测量振动的测试方法,还制作了一款 “电子手套”,能读取振动数据并上传到计算机程序里。经过两年的数据收集和分析,他发现大多数改进锤子的方法都是增加长度,而这也会让锤子变重,不仅容易让人疲劳,并可能加剧所谓的“锤肘”或外上髁炎,这是建筑工人常患的重复性压力损伤疾病。

Schroder 发现,锤子上有个位置振动很小,就是大多数人自然握住手柄的地方。他想到,如果把手柄靠近握把部分的重量减轻,再填充泡沫,就能有效减轻冲击力和振动。使用泡沫填充物后,他还能重新设计锤头,这样一来,不用增加重量,就能增加锤子的有效长度,让动量传递提高约 15%。也就是说,他设计的锤子不仅能减少振动,敲起来还更省力、更有力

这些改进还降低了制造成本。如今,Schroder 的设计已应用到美国市面上大多数锤子上,用起来肘部更轻松,也让制造商减少了因振动引发工伤而面临的诉讼风险。

创新电路:从奇思妙想到产业变革

21 世纪初,Schroder 在一家名为 Nanotechnologies 的公司工作时,运用脉冲功率的概念合成了纳米粒子。脉冲功率就是极其短暂、强烈的电流爆发,能在短时间内释放出巨大的能量。

该公司的众多项目之一就是开发一种电热枪,最初用于军事用途。这种枪能产生非常强烈的电弧放电,火花四溅,电流高达 10 万安培。尽管该产品最终失败了,但研究人员发现,如果他们在将射弹从枪管中取出后扣动扳机,脉冲电弧放电的高热会腐蚀枪管内的银电极,产生从装置中射出的等离子体。当等离子体迅速冷却时,这些被腐蚀或烧蚀的电极会与气体发生反应形成纳米颗粒。惰性气体(如氦气)会产生银纳米颗粒;活性气体会形成化合物纳米颗粒,如氧化银。

于是,Schroder 和同事们干脆放弃了电热枪项目,利用他在脉冲功率方面的专业知识,专注于用银棒或铝棒生产纳米颗粒。他们发现,调整脉冲长度,从 1 毫秒增加到 2 毫秒甚至更长,就能改变纳米颗粒的平均粒径,满足更多不同的应用需求。

彼时,纳米颗粒的商业需求不足,很难将其转化为现实,公司濒临破产。

大约 2001 年,Schroder 收养了一只 12 岁、身患重病的德国牧羊犬。“它膝盖和肘部有直径半英寸、深半英寸的脓包伤口,感染特别严重,站不起来。” 他一开始用给狗和马专用的药膏进行治疗,但并未好转。

于是,Schroder 将公司研发的银纳米粒子掺到药膏里,涂在牧羊犬伤口上。结果,不到两周,伤口就愈合了。如今,这种添加了纳米粒子的药膏已经获得 FDA 批准,用于治疗烧伤患者。

Schroder 最出名的是他在纳米粒子领域的第二项发明,这源于他对印刷电子技术的奇思妙想。

“我在想,要是能改造喷墨打印机墨盒,加入金属纳米颗粒做成墨水,那得多酷啊!” 他说,“这样就能在纸上打印出电线,做出世界上最便宜的电路。”

但问题来了,像纸张和塑料这些低成本基材,在将纳米颗粒烧结、固化成纳米线所需的高温下很容易燃烧。而且,用来烧结的炉子通常体积大、速度慢,还特别耗能。

这时候,一次性相机发挥了大作用。

“我在沃尔格林买的第一台相机,花了 7 美元。我把它改造了一下,让它能持续闪光。”Schroder 设想,利用强烈的闪光只加热黑色、容易吸光的纳米颗粒,让它们快速烧结成线状,速度快到纸张或塑料基板都来不及熔化或变形。他解释说,这个想法就是利用闪光的强度(也就是脉冲功率),以极少的能量在毫秒级时间内产生高功率脉冲。

他和同事最终把这个闪光技术概念拓展成了一个叫 PulseForge 的工业系统。这个系统能产生足够热的脉冲,将纳米颗粒固化成导电线路,而且速度极快,衬底也能承受住高温。

“有了这项闪光灯技术 —— 我叫它光子固化,我们能把温度升到 400°C 左右。而且原本需要 10 分钟甚至更久才能完成的工作,现在一毫秒就能搞定。这就取代了又大又耗能的工业加热炉。”如今,他是 PulseForge 公司的首席技术官。这家公司提供的数字化热处理系统,让制造业变得更环保、更经济,其技术用于制造当今大多数人拥有的消费电子产品。

https://www.technologyreview.com/2025/02/25/1111041/the-man-who-reinvented-the-hammer/

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