211service.com
Den skjørtkledde, vannbesparende roboten
Fotografier av Bob O'Connor
MITs Mechatronics Research Laboratory er hjemsted for robotarmer, mobilresirkuleringsroboter, 3D-skannere og robotfisk. Men laboratoriet, som ligger i kjelleren i bygning 1, huser også en kirkegård – en boks på skrivebordet som inntil nylig var okkupert av maskiningeniør You Wu, SM ’14, PhD ’18.
Boksen, som Wu kaller fortidens kirkegård, inneholder tidligere versjoner av roboten hans, Daisy - en fire-tommers lang skyttelkuleformet robot som er i stand til å navigere i rør for å oppdage små lekkasjer i vannnett. Robotene ble lagt til hvile etter at de ikke klarte å prestere etter hensikten - men innsatsen var ikke forgjeves, fordi Wu lærte noe av hver enkelt. De tre første slo seg av når de ble nedsenket fordi gummikroppene deres lekket. De neste oppdaget ikke lekkasjer godt nok. Suksessen kom med robotens 11. iterasjon. Den nåværende versjonen er den 17.
Wu vokste opp i Changzhou, Kina, og var klar over viktigheten av å spare vann. Byens voksende befolkning stresset strømnettet og vannnettene så sterkt at myndighetene planla bevisste avbrudd for å rasjonere ressursene. Selskapet som sysselsetter Wus foreldre, begge ingeniører, måtte flytte helgen til søndag og mandag for å jobbe rundt dem. Så da han ankom MIT i 2012 etter å ha studert maskinteknikk ved Purdue University, hvor han fokuserte på bærbare enheter som en berørings-og-føle-hanske for virtuell virkelighet og videospill, begynte Wu i Mechatronics Research Lab til professor Kamal Youcef-Toumi, SM '81, ScD '85, og begynte å jobbe med laboratoriets lekkasjedeteksjonsprosjekt. Dimitrios Chatzigeorgiou, PhD '15, hadde utviklet en enhet for å identifisere gasslekkasjer, og Wu ble tiltalt for å tilpasse den for vannrør.
Wu ble tiltrukket av ideen om å hjelpe til med å takle et stort problem: det gjennomsnittlige vannnettet mister omtrent en femtedel av forsyningen til lekkasjer. Verdensbanken anslår at det hvert år utgjør mer enn 32 milliarder kubikkmeter behandlet vann som lekkes ut fra urbane vannforsyningssystemer rundt om i verden. I USA sliter forsyningsselskaper med å takle smuldrende infrastruktur og aldrende rør. I en undersøkelse fra 2012 av amerikanske vannleverandører i Great Lakes-regionen estimerte 55 respondenter at de 63 000 milene med rør som de samlet klarte lekket 66,5 milliarder liter vann årlig – nok til å forsyne 1,9 millioner amerikanere med rent vann i et år. Utover å sløse med vann, kan store lekkasjer forårsake flom og synkehull, som ikke bare truer offentlig sikkerhet, men kan føre til infrastrukturskader som koster millioner av dollar å reparere.
Nåværende vannlekkasjedeteksjonsteknologi kan bare fortelle deg om lekkasjer som vokser til en viss størrelse - bare lekkasjer når de er store, sier Wu. Akustiske enheter som lytter etter lyder eller vibrasjoner assosiert med en lekkasje kan fange opp endringer i vannstrømmen tomme for tomme over et rør, men de fungerer bare når lekkasjer er store nok til å få vibrasjonene deres til å skille seg ut fra bakgrunnsstøy (som lyden av biler) på en nærliggende vei). Slike lekkasjer, sier Wu, strømmer ofte med 10 liter i minuttet - omtrent dobbelt så raskt som vannhastigheten som slipper ut av det gjennomsnittlige dusjhodet.
Det er ikke godt nok, sier Wu. Lekkasjer vokser fra små til store. Vi ønsker å sanse dem før de vokser til store, slik at du kan spare vann og også beskytte infrastruktur.
You Wu, SM ’14, PhD ’18, innså at et skjørt ville være en god sensor etter å ha tråkket på en. Du tråkker på noens skjørt, og de vet det, sier han.
For å oppdage små lekkasjer, fokuserte Mechatronics Research Lab på å levere roboter inn i rør, for å oppdage lekkasjer innenfra. Da Wu ble med, jobbet laboratoriet med en selvgående robot med en føletrommel som beviste at det var mulig å oppdage gasslekkasjer i millimeterskala. Men da Wu testet dens evne til å oppdage vannlekkasjer, fant han ut at vannturbulens hindret den i å skille mellom lekkasjer og annen omgivelsesstøy. Så da han ble prosjektleder i 2015, begynte han å tenke på andre måter å nærme seg lekkasjedeteksjon på.
Mens han var vertskap for en sommerfest i 2016, tråkket Wu ved et uhell på skjørtet til kjæresten sin lange kjole. Det gikk plutselig opp for ham at det ville være nesten umulig å tråkke på eller dra i et skjørt uten at brukeren var klar over det. Du tråkker på noens skjørt, og de vet , han sier. Det aha! øyeblikket ga ham ideen om å erstatte robotens lekkasjedetekterende føletrommel med et føleskjørt. Med det konseptet som utgangspunkt, utnyttet han sin ekspertise innen mykrobotikk og redesignet roboten fullstendig.
Resultatet ble Daisy, den skjørtkledde, squishy, fargerike lekkasjedetektoren. Laget med 3-D-trykt og håndstøpt gummi og plast, er hver Daisy-bot satt sammen for hånd i laboratoriet. Den lille roboten har et hardt gult hode, en semi-transparent fleksibel kropp som inneholder elektronikk, og et knallblått sensorfylt skjørt. Hver del spiller en viktig rolle, men det er skjørtet som utfører den vanskeligste jobben: å oppdage lekkasjene.
Daisy er satt inn i vanngitter ved tilgjengelige veikryss, som brannhydranter, og er designet for å inspisere rør uten å forstyrre tjenesten. Når vannet strømmer gjennom, blir boten båret med, og drar skjørtet langs den indre overflaten av røret. Hvis det er en lekkasje, trekker det medfølgende sugetrykket i skjørtet, hvis sensorer registrerer kraften, og lokaliserer lekkasjen innenfor én fot. Den oppdager også formen på lekkasjen og dens hastighet - selv om den er så sakte som en gallon per minutt. Når Daisy reiser gjennom et rutenett, kan alle dataene den samler opp, lastes opp til en bærbar datamaskin og vises i kartformat. Muligheten til å generere et oppdatert kart over nettets rør er i seg selv nyttig, siden konstruksjonsrelaterte endringer ofte ikke kartlegges. Og når Daisy finner lekkasjer, vil det å kunne nullstille dem mens de er små, gjøre det mulig å fikse dem med minimalt avbrudd, noe som begrenser reparasjonskostnader og vanntap.
Lekkasjer vokser fra små til store. Vi ønsker å sanse dem før de vokser til store, slik at du kan spare vann og også beskytte infrastruktur.
I august 2017 grunnla Wu en oppstart for å kommersialisere Daisy som et lekkasjesøkeverktøy for vannrør. I juni 2018 oppløste han det selskapet (hvis navn, Pipeguard Robotics, også ble brukt av et rørisolasjonsselskap) og innlemmet WatchTower Robotics for å fortsette å utvikle Daisy, som han nå markedsfører som et produkt kalt Lighthouse. Siden han ble uteksaminert i juni har han jobbet fulltid i selskapet; han tilbrakte sommeren i Denver ved Techstars Technology Accelerator. Nå som han er kjent med å forklare Daisys teknologi og dens potensielle innvirkning, har han vunnet mange bærekraftskonkurranser og designpriser, inkludert MIT Water Innovation Prize, Boston HUBWeek Demo Day Pitch Grand Prize, 2018 US James Dyson Award, og Future Innovator of Årsprisen på 2018 Environmental Media Association Impact Summit i Los Angeles. Han ble også valgt som MIT Solve Fellow og ble utnevnt til en av Forbes magasinets 30 Under 30 in Manufacturing and Industry for 2018. (Jeg trodde ikke jeg kunne klare det, sier han om Forbes liste.)
Mens den 11. versjonen av Daisy fungerte, finjusterer Wu fortsatt designet. For hver iterasjon lodder han sammen robotens interne elektronikk, forbereder gummiformer og koder mikrobrikkene som overfører data fra robot til dataskjerm. For sine tidlige design helte han blå gummi i Daisys skjørtform og innebygde forskjellige konfigurasjoner av ledende svarte gummibiter i skjørtet før den blå gummien herdet. Disse bitene av svart gummi fungerer som sensorer: når en endring i vannstrømmen strekker eller komprimerer dem, endres motstanden deres, og Daisy registrerer endringen i den elektriske strømmen som flyter gjennom dem.
Så fikk han ideen om å sy sensorene sine på stoffet i et spesifikt mønster og deretter senke stoffet ned i den flytende blå gummien, og herde dem sammen i skjørtformen. Når den størknet, ville gummien omslutte stoffet og følematerialet, noe som gjorde det resulterende føleskjørtet vanntett, fleksibelt og motstandsdyktig mot riv. Den idédugnaden – som førte til Daisy versjon nummer 14 – sendte Wu til YouTube for å lære seg å bruke en symaskin. Innlemming av stoff i det sensorbelastede skjørtet får det til å bevege seg bare i visse retninger som svar på spesifikke typer lekkasjer, noe som gjør at Daisy kan gi mer nøyaktig informasjon om lekkasjene den møter. Andre justeringer har forbedret botens brukergrensesnitt, noe som gjør det enklere for brukere å lese og tolke deteksjonsdata. Og i prosessen med å skalere opp Daisy til det kommersielle Lighthouse-produktet, har Wu utviklet en rekke størrelser fra 2 til 16 tommer for å imøtekomme forskjellige rørdiametre.
Mark Gwynne, IT-direktør i Severn Trent Water, et vannselskap basert i Storbritannia, hjalp til med å koordinere felttester av Wus robot i Storbritannia i januar 2018. Vi kan definitivt se en plass for den når det gjelder å være en del av verktøysettet for alle våre vanningeniører, sier Gwynne. Teknologien er helt banebrytende.
Men når ting ikke går bra i en test, er det også nyttig informasjon. Under felttester i Virginia i januar i fjor la Wu merke til at roboten hans ville slutte å samle inn data omtrent seks minutter inn i sin reise gjennom vannrøret. Han mistenkte at vannet nesten fryser ned robotens elektronikk, men i felten kunne han ikke fastslå om anelsen hans var riktig. Så den kvelden ruvet Wu over hotellbadekaret sitt, som han fylte med is, vann og robotene sine. Etter seks minutter så han robotene slå seg av – og bekreftet den skyldige. Tilbake i laboratoriet fokuserte Wu på å isolere robotene ytterligere slik at de kunne tåle kalde temperaturer. Siden den gang har ingen av robotene hans stengt ned fra kulde.
Wu håper å inspirere andre til å bruke livserfaringene sine til å informere om robotdesignene deres. Ved å tilnærme seg problemer fra en annen vinkel kan man komme med ideer som folk ikke har tenkt på før og som kan vise seg å fungere veldig bra, sier han. Ikke bare godt trente ingeniører kan lage roboter. Alle kan lage roboter.