每到年中，《大众科学》杂志都会评选出年度十大最佳发明，到今年已经是第5届了。这些出自“车库里的灵感”有的旨在利己助人，有的仅仅只是为了娱乐。不管目的如何，发明者的才智和专注都令人赞叹。今年的10位获奖者延续了这一传统，毫不意外地给我们带来了一众杰出的设计。

　　

　　

　　机械义手

　　    1.灵活的机械义手

　　    名称：斯塔克手

　　    发明人：马克·斯塔克

　　    研发时间：7年

　　    研发成本：1.7万美元—1.8万美元

　　    假手通常分为三种：纯装饰性的模型手，运动功能有限的钩状手或其他低成本的机械手，以及可以更好地模仿真手的动作但成本达数万美元的电子手。马克·斯塔克发明的这款义手就融合了三者的优点：它使用简洁的塑料部件，同普通的钩状机械手一样轻便、便宜，但外观和功能却更像高端的电子手。

　　    “斯塔克手”不使用任何电子元件，每个手指上有三个关节（大拇指上是两个），可以独立弯曲，以适应所要抓握的物体的形状，包括钩状义手无法抓握的不规则物体。

　　    钩状义手一般安装在使用者手臂末端的插孔上，通过肩部的牵引索来控制。使用者耸动肩膀时，牵引索便会拉动钩子，使之张开；当肩膀放松下来，牵引索松弛，钩子随之合上。“斯塔克手”使用同样的控制系统，但在手掌中加了一个调控杆，这个调控杆与另外5根牵引索相连，这些牵引索又分别搭在5根手指的指背上。使用者通过肩部动作，可以利用调控杆让5根手指同时张开，而5根独立的牵引索又可以让各个手指独立合上。当手指触摸到目标物体并稳住后，关节处的弹簧才会回缩。弹簧的弹性很好，既可以轻柔地拿着一枚鸡蛋，也能够有力地举起一把椅子。

　　    斯塔克之所以制作义手，部分原因是为了帮助天生便失去了左手的朋友戴夫·沃格特。从2004年至今，他已经测试改进了5套义手原型。现在，除了上班之外，沃格特走到哪儿都离不开“斯塔克手”，因为他是一个机械工，搬动重物的活儿钩状义手更在行。

　　    更耐用的版本最早今年冬天就可以面世，它将使用更坚韧的塑料和更光滑的零部件。一向乐意帮助发明者将想法变成产品的Edison Nation公司最近相中了“斯塔克手”，决定进行商业开发，现在正忙着把它推介给一个大型义肢制造商。

　　

　　

　　“保镖”装甲袖套

　　    2.能制服犯罪分子的装甲袖套

　　    名称：保镖

　　    发明人：大卫·布朗

　　    研发时间：7年

　　    研发成本：未公开

　　    “保镖”其实是一种配有高压电击器、摄像机、激光瞄准仪和电筒的装甲袖套，发明者大卫·布朗是一名摄影师、编辑和音乐电视制作人。这个创意诞生于2004年一个夜晚，当时布朗和几个朋友正在讨论不久前发生在附近公园的美洲狮袭人导致一死一伤的悲剧事件。布朗觉得，面对这样的袭击，即便手中有刀或其他手持武器也无济于事，他希望能有一种让人依靠本能来使用的东西，于是用医用臂套、现成的电击枪和超市买来的火警报警器按钮做了一个样品。

　　    历经7年制造了30个样品之后，第一个试用版“保镖”面世了，其各个部件以易用、舒适和防止自伤为原则组合在一起。高清摄像机除了取证之外，还有威慑作用，如果对方拒不合作，那么可以用装在手腕上的电击器来吓退他，万不得已时，可以将对方暂时击昏。

　　    “保镖”的市场主要是警察、管教人员和军队。今年5月，它首次在美国司法部举办的年度模拟监狱暴动演习中亮相，第一批试用品将于年底发放给洛杉矶警察局使用。布朗说，未来的产品还会加装化学传感器、可以帮助士兵同国外通讯的电子翻译器或者适用于机场安保的生物识别仪等。

　　

　　

　　打印刷

　　    3.像鼠标的袖珍打印刷

　　    名称：打印刷

　　    发明人：亚历克斯·布莱顿

　　    研发时间：11年

　　    研发成本：1000万美元

　　    2000年，欧洲一家大型橡皮图章公司找到瑞典工程师亚历克斯·布莱顿，向他征求新的产品创意。布莱顿没有提出新的印章设计，而是发明了“打印刷”（PrintBrush）。这款袖珍型打印机仅重250克，使用喷墨技术以及与计算机鼠标类似的光学和跟踪软件，可以将上传的图案和文字印刷在任何平面上，包括纸张、塑料、木材甚至织物。

　　    传统的打印机永远都比纸张要宽大，这是因为纸张必须在打印机内部传送，这样才能准确定位纸张相对于打印头的位置。为了突破这一限制，布莱顿采用了激光传感器来追踪“打印刷”的位置。“打印刷”操作起来更像是一个鼠标，当用户在纸张上移动“打印刷”时，激光传感器会不断地向纸张表面发射红外激光束。根据反射光束的散射情况和激光束的能量波动，就可以确定“打印刷”的速度和方向。

　　    布莱顿及其团队用了不到两年时间开发出第一个样品，但推出现在的成品却耗时近10年。他们不断地改进追踪定位系统，并以激光传感器取代LED（发光二极管）传感器，同时还通过一系列运算快速形成“墨水配方”，实现了1600万色的彩打。

　　    明年上半年，一款顶着“世界最小打印机”头衔的“打印刷”将投放市场，其拥有内置相机，可以即拍即印照片。在此之后，布莱顿还将发布一款名为A4的更小的款型。

　　

　　产前疾病检测笔

　　     4.产前疾病检测笔

　　     名称：孕期筛查工具包

　　    发明人：西恩·莫纳格尔及其同学等7人

　　    研发时间：3年

　　    研发成本：2万美元

　　    每年大约有630万名孕妇和新生儿因为孕期或者分娩并发症而死亡，其中90%的孕产妇死亡案例发生在发展中国家，因为她们很少进行产前检查。有感于此，在约翰·霍普金斯大学生物工程创新和设计中心就读研究生的西恩·莫纳格尔和同学一起发明了一种产前疾病检测笔，相比其他常规检查方法，可以及早、准确、低成本地确诊产前疾病。

　　    在美国，孕妇最常用的产前筛查先兆子痫及相关并发症的方法是50美分的试纸检查，这种疾病每年导致7.6万名孕产妇和50万名新生儿死亡，如果能够及早诊断，就很容易治疗。但对发展中国家来说，这种试纸太贵，难以推广。而莫纳格尔他们发明的检测笔使用一次的成本只有三分之一美分，而且操作简单，任何人都容易理解：先用检测笔在滤纸上划一道黄线，然后挤上一滴尿样，当黄线变成深蓝色，说明检测笔“墨水”中的化学试剂与尿液中高含量的蛋白质发生了反应，这是尿样提供者患有产前子痫的确切证据。

　　    学生们计划研发一套产前筛查工具包，用不同颜色的彩笔筛查检测包括孕期糖尿病和尿道感染等在内的不同病症。

　　    “如果我们主动把这种救命的关怀带给女性，而不是等着她们前来求医，结果会产生重大影响。”非盈利组织Jhpiego的医学负责人哈沙德·山格维说。该组织目前正在尼泊尔开展一项利用产前疾病检测笔筛查先兆子痫的研究。

　　

　　液晶太阳镜设计图

　　

　　液晶太阳镜

　　    5.屏蔽强光的液晶太阳镜

　　    名称：“动态眼”太阳镜

　　    发明人：克里斯·穆林

　　    研发时间：8年

　　    研发成本：200万美元

　　    在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室攻读物理学博士后时，克里斯·穆林最烦恼的就是通勤问题：他每天要顶着大太阳开车十几英里从家赶往实验室，眩目的阳光让他头痛，而且很难看清楚对面来的车。他觉得这样很不安全，于是有了一个想法：制造一副能够利用电子屏蔽来防护强光照射的太阳镜。

　　    他选择了液晶作为镜片材料，读博士时他对此进行过深入研究：液晶的视觉特性可以通过电子手段进行调节，同时又拥有普通太阳镜镜片的透明度。他将自己的发明命名为“动态眼”。在这个太阳镜的鼻梁架上安装着一个小型传感器，可以探测到强光，并将其位置传送给旁边的微控制器。微控制器随即指示液晶镜片在眼睛前方形成一个4到6毫米的方形黑斑来遮挡强光。当佩戴者转头时，黑斑也会随之移位，以挡住来自任何角度的强光，同时保证周围环境清晰可见。

　　    穆林花了5年时间制造出5个样品，才最终将电池和电子元件缩减到标准太阳镜适用的尺寸。不过，目前它还不能投放市场，因为试用中发现，液晶太阳镜偶尔会出现故障。穆林打算加强电子元件之间的联系，以确保微控制器的命令能送达镜片。而且，他还在研发基于塑料的可弯曲液晶，这样成品会更轻，防碎性能更好，便于商业推广。

　　    穆林的研究得到了美国空军的部分资助，目前他也在研制适合战斗机飞行员和士兵佩戴的护目镜。同时他也计划与奥克利等太阳镜制造商接洽，普通民众或许在几年后就能够买到“动态眼”太阳镜了。

　　

　　

　　臭虫探测器

　　    6.效率更高的臭虫探测器

　　     名称：臭虫探测器

　　    发明人：克里斯·戈金

　　    研发时间：一年半

　　    研发成本：50万美元

　　    来自北卡罗莱纳州的机械工程师克里斯·戈金拥有20多项专利，参与过导弹电子系统和F-22猛禽轰炸机油箱的研发工作，是个不折不扣的“创新家”。两年前，当越来越多的人带着满身红点奇痒难耐地从梦中醒来，戈金决定，要制造一种便宜而又有效的臭虫探测器。

　　    臭虫在美国消失了半个世纪之久，大约10年前又卷土重来。它们行迹隐秘，可以藏身在任何物体的褶皱和缝隙中。与蟑螂和老鼠不同，臭虫不怕毒饵，只有直接喷药才能消灭它们，所以找到臭虫的具体藏身之处极其重要。灭虫人员通常每个房间要花一个小时才能锁定臭虫藏匿的地点，但戈金的臭虫探测器却只需用15分钟。

　　    它模仿了狗的嗅探模式。目前在美国有大约200只狗在协助灭虫人员工作。但嗅探犬的训练和养育成本在3万美元到7万美元之间，这笔费用通常会转嫁到消费者头上；而且狗只能将臭虫的藏身地点确定在一两米的范围内，剩下的大量工作还是需要人工完成；此外，狗不能区分雄性和雌性臭虫释放的信息素(产卵的雌臭虫危害性最大)，也分辨不出臭虫释放出的其他信号，比如无味的二氧化碳和甲烷。

　　    而戈金的臭虫探测器装有3个能够识别臭虫信息素以及二氧化碳和甲烷的传感器，探测精度是狗的3倍，并且还能够区分臭虫的性别。当探测者远离或者靠近臭虫藏身处时，内置的监控系统会发出提醒，以不同颜色显示。这种手持式臭虫探测器将于今年上市，售价为200美元。戈金表示，他正在研发一种多用探测器，可适用于蟑螂、蚂蚁和老鼠等。

　　

　　

　　滑雪用的安全着陆垫

　　     7.滑雪用的安全着陆垫

　　    名称：卡塔尔着陆垫

　　    发明人：亚伦·科莱特和斯蒂芬·斯伦

　　    研发时间：6年

　　    研发成本：未公开

　　    6年前，20岁的加拿大英属哥伦比亚大学工程系学生亚伦·科莱特在玩滑雪板时，来了个50英尺的腾跃，结果失去控制，肩部重重着地，摔断了两根椎骨，导致颈部以下瘫痪。科莱特决心要为提高滑雪板运动的安全性而努力。他和同学、同为滑雪板爱好者的斯蒂芬·斯伦一起，发明了专为滑雪和雪板运动设计的安全落地垫。

　　    这个垫子以乙烯树脂和尼龙制成，长20英尺（约6米），宽15英尺（约4.5米），厚5英尺（约1.5米），由两块充气垫组成。上面的充气垫是密封的，下面的充气垫则有阀门，可以放出一定量的空气。大多数着陆垫被踩时会塌陷得很厉害，而这种新的着陆垫足够坚硬，能让运动员稳稳落地；同时又有足够的弹性，可以减少对运动员的伤害。

　　    两位发明人为这一设计申请了专利，并成立了卡塔尔创新公司（Katal Innovations），与一家儿童游乐场充气城堡制造商合作，生产更大型号的着陆垫。但新产品的弹性不够，并不像他们制作的样品那样安全好用。经过分析测试，他们发现，其中的关键就在于，当样品着陆垫受压时，阀门会稍微放一点气，起到缓冲作用。为复制这一效果，他们在新产品中加入了鼓风机和排气孔，可以持续地充气和放气。

　　    受加拿大官方邀请，卡塔尔着陆垫在温哥华冬季奥运会开幕式上进行了展示，这次“亮相”很成功。过去一年来，卡塔尔着陆垫进驻了北美多个滑雪胜地。“很多人对它感兴趣，”范尔山滑雪场经理布赖恩·鲁尼说，“极限运动赛金牌得主和奥运会选手都来排队试用。”

　　

　　

　　零废液污水处理系统

　　    8.污水变清水的处理系统

　　    名称：零废液污水处理系统

　　    发明人：纳蒙·纳瑟夫

　　    研发时间：7年

　　    研发成本：数十万美元

　　    船上的发动机坏了，这对纳蒙·纳瑟夫来说是个机会，他终于可以装上自己的发明了。这个被他称为“零废液污水处理系统”的机器可以利用发动机产生的热量来氧化和蒸发船上厕所、浴室和厨房的污水。

　　    一台普通的内燃机只能有效利用燃料中30%到35%的能量，其余的能量则以热量的形式通过散热器或者排气管浪费掉。这个微波炉大小的零废液污水处理系统利用的就是这部分热量，它可以安装在船上任何地方。当冲厕所或者清理污水箱时，脏水通过管道首先被送到处理系统的平衡池，其中的杂物会被碾成直径为6毫米或者更小的碎块；接下来进入高速搅拌器，里面装有三套刀片，能把固体切成直径0.05毫米的微粒；然后用一台喷射泵给污水流增压，使它以气雾形式通过管嘴喷入发动机的排气系统。

　　    空转发动机的排气装置温度至少有大约288摄氏度，这足以将污水变成蒸汽，使其中的有机物热氧化。简而言之，零废液污水处理系统可以把进入其中的任何有机物分解掉。纳瑟夫说，整个过程不会产生异味，主要的副产品就是二氧化碳和清洁的水蒸气。

　　    2004年，纳瑟夫用洗衣机零件和一个5加仑的油漆桶制成了第一台样机。经过11代更新，目前的版本消耗的能量只相当于10个100瓦的灯泡，它不像其他便携式厕所污水处理系统那样使用有害的化学物质，并且可以根据需要定制。2007年，它获得了美国海岸警卫队颁发的船用卫生设施许可证。

　　    零废液污水处理系统的用武之地不仅仅局限于船只，任何排气装置温度够高并拥有洗手间的交通工具都可以安装使用。除了房车制造商，美国军方也对此显示出了兴趣，其前方作战基地常常燃烧价格高达400美元/加仑的航空煤油来应急处理污物。另一个有应用前景的领域是航空业，部分机型在卫生间加装零废液污水处理系统后，可以在飞行过程中甩掉重达227公斤的污水。

　　

　　

　　冲浪趴板

　　    9.便携式电动冲浪趴板

　　    名称：凯梅拉趴板

　　    发明人：杰森·伍兹

　　    研发时间：8年

　　    研发成本：4万美元

　　    杰森·伍兹19岁时给自己买了一艘二手快艇。几个月后，他就觉得运输和储藏这个将近5米长的大家伙又贵又麻烦。他想要一艘可以随时扔到车里然后带到水边的小船。不幸的是，世界上没有这样的东西。

　　    依靠在加州纳帕新技术高中培养出来的动手能力，伍兹决定自己做一个。按照他的设想，这是一个由小型发动机驱动的碳纤维冲浪趴板，速度惊人，吃水深度只有15厘米左右，重量不到16公斤，一个人就能拖到水里。

　　    但要找到轻便的零部件颇费周折，伍兹最终从遥控船模配件商那里买到了微型射流泵。剩下的就是组装了：他将一个现成的冲浪膝板沿吃水线切开，装上射流泵、一个26CC发动机和一个遥控飞机使用的启动装置，然后用胶带将外壳粘起来。“凯梅拉趴板”就这样诞生了。虽然在水中前进得踉踉跄跄，但它还是发动起来了。

　　    此后，伍兹每年做一个新版本，除了不断改进转向和推进系统，还将排气管挪到了吃水线以下的位置。第四个版本加入了碳纤维材料和手把，时速达到了24公里；使用者可以通过按钮操控伺服系统让射流泵来回移动，转向则仍然依靠身体左右倾斜来完成。伍兹目前正在建造最新版本，它将使用电动和丙烷混合动力的四冲程发动机，时速有望达到40公里。

　　    据伍兹估计，量产之后，“凯梅拉趴板”基本版的零售价约为1000美元。

　　

　　

　　医疗镜

　　    10.能照出健康状况的“魔镜”

　　    名称：医疗镜

　　    发明人：傅明哲

　　    研发时间：一年半

　　    研发成本：未公开

　　    2009年年底的一个晚上，正在麻省理工学院攻读电子医疗工程专业研究生的傅明哲让一些朋友坐到一台手提电脑前，测试他新编写的一个软件，这个软件可以把网络摄像头变成心率监控器。他希望能够让医生在无需触摸烧伤病人或婴儿的情况下检查病人的生命体征，或者帮助人们更方便地追踪自己的心血管健康状况。虽然当时程序未能实时运行，但得到的监控数据却相当理想。

　　    一年半之后，麻省理工学院媒体实验室里出现了一面大大的镶框镜子，这就是傅明哲设计的这个监控系统的升级版。这个双向玻璃镜（一面是镜子，另一面是可以透视的玻璃）后安装着一个与手提电脑相连的摄像头监控器，站在镜前，镜面上就会显示你的心率。换句话说，“医疗镜”不仅能照出你的外表，还能照出你的内在健康状况。

　　    心脏在跳动的过程中，会向全身血管泵送血液。血液会吸收光线，因此，血管内流动的血液越多，皮肤反射的光线越少。网络摄像头可以捕捉这种反射光线的细微变化，并将数据发送到计算机上，经程序解读后，便可转化为心率读数。研究人员一般使用高清摄像机追踪这些光线的变化，但傅明哲希望借助简单的网络摄像头，让所有的电脑和智能手机都能化身为心率监控器。为此，他开发了一套算法，能够从摄像头捕捉的所有反射光中分辨出心率的光线模式，并编写了可实时处理数据的代码，让计算机即时生成心率读数。

　　    傅明哲计划今年年底将“医疗镜”推向市场。他表示，这套系统也可用来监测其他重要数据，包括呼吸速率和血氧浓度，这将使“医疗镜”更具潜力。