Wodooszczędny robot w spódnicy

Zdjęcia Boba O'Connora

Laboratorium Badawcze Mechatroniki MIT jest domem dla ramion robotów, robotów do recyklingu telefonów komórkowych, skanerów 3D i ryb-robotów. Ale w laboratorium, mieszczącym się w podziemiach Budynku 1, znajduje się również cmentarz – pudełko na biurku, które do niedawna zajmował inżynier mechanik You Wu, SM ’14, dr ’18.

Pudełko, które Wu nazywa cmentarzyskiem przeszłości, zawiera poprzednie wersje swojego robota, Daisy — czterocalowego robota w kształcie lotki, który potrafi nawigować po rurach w celu wykrycia niewielkich przecieków w sieciach wodnych. Roboty zostały pochowane po tym, jak nie wykonały zadania zgodnie z przeznaczeniem — ale wysiłek nie poszedł na marne, ponieważ Wu nauczył się czegoś od każdego z nich. Pierwsze trzy zamknęły się po zanurzeniu, ponieważ ich gumowe korpusy przeciekały. Kilka następnych nie wykrywało wystarczająco dobrze wycieków. Sukces przyszedł wraz z 11. iteracją robota. Obecna wersja to siedemnasta.

Dorastając w Changzhou w Chinach, Wu doskonale zdawał sobie sprawę ze znaczenia oszczędzania wody. Rozwijająca się populacja miasta tak bardzo obciążyła swoje sieci elektryczne i wodociągowe, że władze planowały celowe wyłączenia zasobów racjonowania. Firma zatrudniająca rodziców Wu, oboje inżynierów, musiała przesunąć weekend na niedzielę i poniedziałek, aby ich obejść. Tak więc po przybyciu do MIT w 2012 roku po studiach inżynierii mechanicznej na Purdue University, gdzie skupił się na urządzeniach do noszenia, takich jak rękawice dotykowe i dotykowe do wirtualnej rzeczywistości i gier wideo, Wu dołączył do Laboratorium Badawczego Mechatroniki profesora Kamala Youcefa-Toumiego. SM '81, ScD '85 i rozpoczął pracę nad projektem laboratorium wykrywania nieszczelności. Dimitrios Chatzigeorgiou, PhD ’15, opracował urządzenie do identyfikacji wycieków gazu, a Wu został oskarżony o przystosowanie go do rur wodociągowych.

Wu wpadł na pomysł pomocy w rozwiązaniu poważnego problemu: przeciętna sieć wodociągowa traci około jednej piątej zasobów z powodu nieszczelności. Bank Światowy szacuje, że każdego roku z miejskich wodociągów na całym świecie wycieka ponad 32 miliardy metrów sześciennych uzdatnionej wody. W USA przedsiębiorstwa użyteczności publicznej walczą z rozpadającą się infrastrukturą i starzejącymi się rurami. W ankiecie przeprowadzonej w 2012 r. wśród amerykańskich dostawców wody w regionie Wielkich Jezior 55 respondentów oszacowało, że z 63 000 mil rur, którymi wspólnie zarządzali, wyciekało 66,5 miliardów galonów wody rocznie — co wystarczyło, aby zaopatrzyć 1,9 miliona Amerykanów w czystą wodę przez rok. Oprócz marnowania wody, duże wycieki mogą powodować powodzie i zapadliska, które nie tylko zagrażają bezpieczeństwu publicznemu, ale mogą prowadzić do uszkodzeń infrastruktury, których naprawa kosztuje miliony dolarów.

Obecna technologia wykrywania wycieków wody może informować tylko o wyciekach, które osiągają określony rozmiar – tylko o wyciekach, gdy są duże, mówi Wu. Urządzenia akustyczne, które nasłuchują dźwięków lub wibracji związanych z wyciekiem, mogą wychwytywać zmiany w przepływie wody cal po calu przez rurę, ale działają tylko wtedy, gdy wycieki są na tyle duże, że ich wibracje wyróżniają się z hałasu otoczenia (np. odgłosy samochodów na pobliskiej drodze). Jak mówi Wu, takie wycieki często przepływają z prędkością 10 galonów na minutę – około dwa razy szybciej niż woda ucieka przez przeciętną słuchawkę prysznica.

To nie wystarczy, mówi Wu. Wycieki rosną od małych do dużych. Chcemy je wyczuć, zanim wyrosną na duże, abyś mógł oszczędzać wodę, a także chronić infrastrukturę.

Ty Wu, SM ’14, PhD ’18, zdałeś sobie sprawę, że spódnica będzie dobrym czujnikiem po wejściu na nią. Stajesz na czyjejś spódnicy, a oni wiedzą, mówi.

Aby wykryć małe wycieki, Mechatronics Research Lab skoncentrowało się na dostarczaniu robotów do rur, aby wykryć wycieki od wewnątrz. Kiedy dołączył Wu, laboratorium pracowało nad robotem samobieżnym z bębnem detekcyjnym, który dowiódł, że możliwe jest wykrywanie wycieków gazu w skali milimetrowej. Ale kiedy Wu przetestował swoją zdolność do wykrywania wycieków wody, odkrył, że turbulencje wody uniemożliwiają mu odróżnienie wycieków od innych dźwięków otoczenia. Kiedy więc został kierownikiem projektu w 2015 roku, zaczął myśleć o innych sposobach podejścia do wykrywania wycieków.

Podczas letniego przyjęcia w 2016 roku Wu przypadkowo nadepnął na spódnicę długiej sukienki swojej dziewczyny. Nagle przyszło mu do głowy, że prawie niemożliwe byłoby nadepnięcie lub pociągnięcie za spódnicę, gdyby nosząca to nie zauważyła. Stajesz na czyjejś spódnicy, a oni… wiedzieć , on mówi. To aha! Chwila podsunęła mu pomysł, aby zastąpić wykrywający wycieki bęben robota osłoną czujnikową. Traktując tę ​​koncepcję jako punkt wyjścia, wykorzystał swoją wiedzę z zakresu robotyki miękkiej i całkowicie przeprojektował robota.

Rezultatem była Daisy, noszony w spódnicy, miękki, kolorowy wykrywacz nieszczelności. Wykonany z wydrukowanej w 3D i ręcznie formowanej gumy i plastiku, każdy bot Daisy jest składany ręcznie w laboratorium. Mały robot ma twardą żółtą głowę, półprzezroczyste, elastyczne ciało zawierające elektronikę i jasnoniebieską spódnicę wypełnioną czujnikami. Każda część odgrywa ważną rolę, ale to spódnica wykonuje najtrudniejsze zadanie: wykrywa przecieki.

Umieszczony w sieci wodociągowej w dostępnych połączeniach, takich jak hydranty przeciwpożarowe, Daisy jest przeznaczony do sprawdzania rur bez zakłócania pracy. Gdy woda przez nią przepływa, robot jest niesiony, ciągnąc swoją osłoną po wewnętrznej powierzchni rury. W przypadku wycieku towarzyszące mu ciśnienie ssania szarpie na osłonie, której czujniki rejestrują siłę, wskazując lokalizację wycieku z dokładnością do jednej stopy. Wykrywa również kształt wycieku i jego szybkość — nawet jeśli jest tak powolny, jak galon na minutę. Gdy Daisy podróżuje przez siatkę, wszystkie gromadzone przez nią dane można przesłać do laptopa i wyświetlić w formacie mapy. Możliwość wygenerowania aktualnej mapy rur sieci jest sama w sobie przydatna, ponieważ zmiany związane z budową często nie są mapowane. A kiedy Daisy znajdzie przecieki, możliwość skupienia się na nich, gdy są małe, umożliwia naprawienie ich przy minimalnych zakłóceniach, ograniczając koszty naprawy, a także utratę wody.

Wycieki rosną od małych do dużych. Chcemy je wyczuć, zanim wyrosną na duże, abyś mógł oszczędzać wodę, a także chronić infrastrukturę.

W sierpniu 2017 r. Wu założył startup, aby skomercjalizować Daisy jako narzędzie do wyszukiwania wycieków w rurach wodociągowych. W czerwcu 2018 r. rozwiązał tę firmę (której nazwa Pipeguard Robotics była również używana przez firmę zajmującą się izolacją rur) i włączył WatchTower Robotics do dalszego rozwoju Daisy, które obecnie sprzedaje jako produkt o nazwie Lighthouse. Od ukończenia studiów w czerwcu pracuje w firmie na pełny etat; spędził lato w Denver w Akceleratorze Technologii Techstars. Do tej pory dobrze zorientowany w wyjaśnianiu technologii Daisy i jej potencjalnego wpływu, wygrał wiele konkursów dotyczących zrównoważonego rozwoju i nagród za wzornictwo, w tym nagrodę MIT Water Innovation Prize, główną nagrodę Boston HUBWeek Demo Day Pitch, 2018 US James Dyson Award oraz Future Innovator of nagroda Roku na szczycie Environmental Media Association Impact Summit w Los Angeles. Został również wybrany jako MIT Solve Fellow i został uznany za jednego z Forbes magazyn 30 Under 30 w Manufacturing and Industry za rok 2018. (Nie sądziłem, że dam radę, mówi o Forbes lista.)

Podczas gdy 11. wersja Daisy działała, Wu wciąż poprawia projekt. W każdej iteracji lutuje wewnętrzną elektronikę robota, przygotowuje gumowe formy i koduje mikrochipy, które przesyłają dane z robota na ekran komputera. W swoich wczesnych projektach wlał niebieską gumę do formy spódnicy Daisy i osadził w spódnicy różne konfiguracje przewodzących czarnych kawałków gumy, zanim niebieska guma utwardziła. Te kawałki czarnej gumy służą jako czujniki: kiedy zmiana przepływu wody rozciąga je lub ściska, zmienia się ich rezystancja, a Daisy rejestruje zmianę przepływającego przez nie prądu elektrycznego.

Potem wpadł na pomysł, aby przyszyć czujniki do tkaniny w określony wzór, a następnie zanurzyć tę tkaninę w płynnej niebieskiej gumie, utwardzając je razem w formie spódnicy. Po zestaleniu guma otaczałaby tkaninę i materiał czujnikowy, dzięki czemu powstała spódnica czujnikowa byłaby wodoodporna, elastyczna i odporna na rozdarcie. Ta burza mózgów — która doprowadziła do wydania Daisy numer 14 — wysłała Wu na YouTube, aby nauczył się obsługi maszyny do szycia. Włączenie tkaniny do spódnicy z czujnikami powoduje, że porusza się ona tylko w określonych kierunkach w odpowiedzi na określone rodzaje przecieków, dzięki czemu Daisy może dostarczać dokładniejszych informacji o napotkanych przeciekach. Inne poprawki poprawiły interfejs użytkownika bota, ułatwiając użytkownikom odczytywanie i interpretowanie danych o wykryciu. A w procesie zwiększania skali Daisy do komercyjnego produktu Lighthouse, Wu opracował gamę rozmiarów od 2 do 16 cali, aby pomieścić różne średnice rur.

Mark Gwynne, dyrektor IT Severn Trent Water, firmy wodociągowej z siedzibą w Wielkiej Brytanii, pomagał koordynować testy terenowe robota Wu w Wielkiej Brytanii w styczniu 2018 roku. Zdecydowanie widzimy dla niego miejsce, jeśli chodzi o bycie częścią zestawu narzędzi dla wszystkich naszych inżynierów wodnych, mówi Gwynne. Technologia jest całkowicie przełomowa.

Ale kiedy w teście coś nie idzie dobrze, to też jest przydatna informacja. Podczas testów terenowych w Wirginii w styczniu ubiegłego roku Wu zauważył, że jego robot przestanie zbierać dane po około sześciu minutach podróży przez wodociąg. Podejrzewał, że prawie zamarzająca woda wyłączyła elektronikę robota, ale w terenie nie mógł określić, czy jego przeczucie było prawidłowe. Tak więc tego wieczoru Wu górował nad swoją hotelową wanną, którą napełnił lodem, wodą i robotami. Po sześciu minutach zobaczył, jak roboty się wyłączają – i potwierdził sprawcę. W laboratorium Wu skupił się na dalszej izolacji botów, aby mogły wytrzymać niskie temperatury. Od tego czasu żaden z jego robotów nie wyłączył się z zimna.

Wu ma nadzieję, że zainspiruje innych do wykorzystania swoich doświadczeń życiowych w opracowywaniu projektów robotów. Podchodząc do problemów z innej perspektywy, możesz wpaść na pomysły, o których ludzie wcześniej nie myśleli i które mogą się naprawdę dobrze sprawdzić – mówi. Roboty mogą tworzyć nie tylko dobrze wyszkoleni inżynierowie. Każdy może tworzyć roboty.

ukryć