211service.com
Den nederdelbærende, vandbesparende robot
Fotografier af Bob O'Connor
MIT's Mechatronics Research Laboratory er hjemsted for robotarme, mobiltelefon-genbrugsrobotter, 3-D-scannere og robotfisk. Men laboratoriet, der ligger i kælderen i Bygning 1, huser også en kirkegård – en kasse på skrivebordet, der indtil for nylig var besat af maskiningeniør You Wu, SM ’14, PhD ’18.
Kassen, som Wu kalder fortidens kirkegård, rummer tidligere versioner af hans robot, Daisy - en fire tommer lang fjerboldformet bot, der er i stand til at navigere i rør for at opdage små lækager i vandgitter. Robotterne blev lagt til hvile efter ikke at have præsteret efter hensigten - men indsatsen var ikke for intet, for Wu lærte noget af hver enkelt. De første tre lukkede af, når de var nedsænket, fordi deres gummilegemer lækkede. De næste par opdagede ikke lækager godt nok. Succesen kom med robottens 11. iteration. Den nuværende version er den 17.
Da Wu voksede op i Changzhou, Kina, var Wu udmærket klar over vigtigheden af at spare på vandet. Byens voksende befolkning stressede dets el- og vandnet så hårdt, at myndighederne planlagde bevidste afbrydelser for at rationere ressourcer. Virksomheden, der beskæftiger Wus forældre, begge ingeniører, måtte flytte sin weekend til søndag og mandag for at arbejde omkring dem. Så da han ankom til MIT i 2012 efter at have studeret maskinteknik ved Purdue University, hvor han fokuserede på bærbare enheder såsom en berørings-og-føl-handske til virtual reality og videospil, sluttede Wu sig til Mechatronics Research Lab af professor Kamal Youcef-Toumi, SM '81, ScD '85, og begyndte at arbejde på laboratoriets lækagedetektionsprojekt. Dimitrios Chatzigeorgiou, PhD '15, havde udviklet en enhed til at identificere gaslækager, og Wu blev anklaget for at tilpasse den til vandrør.
Wu blev tiltrukket af ideen om at hjælpe med at tackle et stort problem: det gennemsnitlige vandnet mister omkring en femtedel af sin forsyning til lækager. Verdensbanken anslår, at det hvert år tæller op til mere end 32 milliarder kubikmeter behandlet vand, der er lækket fra byernes vandforsyningssystemer rundt om i verden. I USA kæmper forsyningsselskaber med at klare smuldrende infrastruktur og aldrende rør. I en undersøgelse fra 2012 af amerikanske vandleverandører i Great Lakes-regionen anslog 55 respondenter, at de 63.000 miles af rør, de i fællesskab forvaltede, lækkede 66,5 milliarder gallons vand årligt - nok til at forsyne 1,9 millioner amerikanere med rent vand i et år. Ud over at spilde vand kan store lækager forårsage oversvømmelser og synkehuller, som ikke kun truer den offentlige sikkerhed, men kan føre til infrastrukturskader, som koster millioner af dollars at reparere.
Den nuværende teknologi til detektering af vandlækager kan kun fortælle dig om lækager, der vokser til en vis størrelse - kun lækager, når de er store, siger Wu. Akustiske enheder, der lytter efter lyde eller vibrationer i forbindelse med en lækage, kan opfange ændringer i vandstrømmen tomme for tomme hen over et rør, men de virker kun, når lækager er store nok til at få deres vibrationer til at skille sig ud fra baggrundsstøj (som lyden af biler) på en nærliggende vej). Sådanne lækager, siger Wu, flyder ofte med 10 gallons i minuttet - cirka dobbelt så hurtigt som vandhastigheden, der slipper ud af det gennemsnitlige brusehoved.
Det er ikke godt nok, siger Wu. Lækager vokser fra små til store. Vi vil gerne fornemme dem, før de vokser til store, så du kan spare på vandet og også beskytte infrastrukturen.
You Wu, SM ’14, PhD ’18, indså, at en nederdel ville være en god sensor efter at have trådt på en. Man træder på nogens nederdel, og de ved det, siger han.
For at opdage små lækager fokuserede Mechatronics Research Lab på at levere robotter i rør, for at registrere lækager indefra. Da Wu kom til, arbejdede laboratoriet på en selvkørende robot med en følertromle, der beviste, at det var muligt at opdage gaslækager i millimeterskala. Men da Wu testede dens evne til at opdage vandlækager, fandt han ud af, at vandturbulens forhindrede den i at skelne mellem utætheder og anden omgivende støj. Så da han blev projektleder i 2015, begyndte han at tænke på andre måder at gribe lækagedetektion an på.
Mens Wu var vært for en sommerfest i 2016, trådte Wu ved et uheld på nederdelen af sin kærestes lange kjole. Pludselig gik det op for ham, at det ville være næsten umuligt at træde på eller trække i en nederdel, uden at bæreren opdagede det. Du træder på nogens nederdel, og de ved godt , han siger. Det aha! øjeblik gav ham idéen til at udskifte robottens lækagedetekterende følertromle med et følerskørt. Med det koncept som udgangspunkt udnyttede han sin soft-robotics-ekspertise og redesignede robotten fuldstændigt.
Resultatet blev Daisy, den nederdelbærende, squishy, farverige lækagedetektor. Fremstillet med 3-D-printede og håndstøbte gummier og plastik, samles hver Daisy-bot i hånden i laboratoriet. Den lille robot har et hårdt gult hoved, en semi-transparent fleksibel krop, der indeholder elektronik, og en lys blå sensorfyldt nederdel. Hver del spiller en vigtig rolle, men det er skørtet, der udfører det hårdeste job: at opdage lækagen.
Daisy er indsat i vandgitre ved tilgængelige vejkryds, som brandhaner, og er designet til at inspicere rør uden at forstyrre servicen. Når vandet strømmer igennem, bliver boten båret med og trækker dens skørt langs den indre overflade af røret. Hvis der er en lækage, trækker det medfølgende sugetryk i skørtet, hvis sensorer registrerer kraften og lokaliserer lækagen inden for en fod. Den registrerer også formen på lækagen og dens hastighed - også selvom den er så langsom som en gallon i minuttet. Når Daisy rejser gennem et gitter, kan alle de data, den indsamler, uploades til en bærbar computer og ses i kortformat. Muligheden for at generere et opdateret kort over nettets rør er i sig selv nyttig, da konstruktionsrelaterede ændringer ofte ikke er kortlagt. Og når Daisy finder lækager, er det muligt at nulstille dem, mens de er små, det muligt at reparere dem med minimal afbrydelse, hvilket begrænser reparationsomkostninger såvel som vandtab.
Lækager vokser fra små til store. Vi vil gerne fornemme dem, før de vokser til store, så du kan spare på vandet og også beskytte infrastrukturen.
I august 2017 grundlagde Wu en startup for at kommercialisere Daisy som et lækagesøgningsværktøj til vandrør. I juni 2018 opløste han det firma (hvis navn, Pipeguard Robotics, også blev brugt af et rørisoleringsfirma) og indarbejdede WatchTower Robotics for at fortsætte med at udvikle Daisy, som han nu markedsfører som et produkt kaldet Lighthouse. Siden sin eksamen i juni har han arbejdet fuld tid på virksomheden; han tilbragte sommeren i Denver på Techstars Technology Accelerator. Efterhånden som han er velbevandret i at forklare Daisys teknologi og dens potentielle indvirkning, har han vundet mange bæredygtighedskonkurrencer og designpriser, herunder MIT Water Innovation Prize, Boston HUBWeek Demo Day Pitch Grand Prize, 2018 US James Dyson Award, og Future Innovator of Årets pris ved 2018 Environmental Media Association Impact Summit i Los Angeles. Han blev også valgt som MIT Solve Fellow og blev udnævnt til en af Forbes magasinets 30 Under 30 in Manufacturing and Industry for 2018. (Jeg troede ikke, jeg kunne klare det, siger han om Forbes liste.)
Mens den 11. version af Daisy virkede, justerer Wu stadig designet. For hver iteration lodder han robottens interne elektronik sammen, forbereder gummiforme og koder de mikrochips, der overfører data fra robot til computerskærm. Til sine tidlige designs hældte han blåt gummi i Daisys skørtform og indlejrede forskellige konfigurationer af ledende sorte gummistykker i skørtet, før det blå gummi hærdede. Disse stykker sort gummi tjener som sensorer: Når en ændring i vandstrømmen strækker eller komprimerer dem, ændres deres modstand, og Daisy registrerer ændringen i den elektriske strøm, der strømmer gennem dem.
Så fik han ideen til at sy sine sensorer på stof i et bestemt mønster og derefter nedsænke stoffet i det flydende blå gummi og hærde dem sammen i skørtformen. Når det størknede, ville gummiet omslutte stoffet og følematerialet, hvilket gjorde det resulterende følenederdel vandtæt, fleksibelt og modstandsdygtigt over for rivning. Den brainstorm – som førte til Daisy version nummer 14 – sendte Wu til YouTube for at lære sig selv at bruge en symaskine. Inkorporering af stof i den sensorbelastede nederdel får den til kun at bevæge sig i bestemte retninger som reaktion på specifikke typer lækager, hvilket gør det muligt for Daisy at give mere nøjagtige oplysninger om de lækager, den støder på. Andre tweaks har forbedret botens brugergrænseflade, hvilket gør det nemmere for brugerne at læse og fortolke detektionsdata. Og i færd med at skalere Daisy op til det kommercielle Lighthouse-produkt, har Wu udviklet en række størrelser fra 2 til 16 tommer for at kunne rumme forskellige rørdiametre.
Mark Gwynne, it-direktør for Severn Trent Water, et vandselskab baseret i Storbritannien, hjalp med at koordinere felttest af Wus robot i Storbritannien i januar 2018. Vi kan helt sikkert se en plads til den i forhold til at være en del af værktøjssættet for alle vores vandingeniører, siger Gwynne. Teknologien er totalt banebrydende.
Men når tingene ikke går godt i en test, er det også nyttig information. Under feltforsøg i Virginia i januar sidste år bemærkede Wu, at hans robot ville stoppe med at indsamle data omkring seks minutter inde i sin rejse gennem vandrøret. Han havde mistanke om, at det næsten frysende vand lukkede robottens elektronik ned, men i marken kunne han ikke afgøre, om hans anelse var korrekt. Så den aften tårnede Wu sig op over sit hotelbadekar, som han fyldte med is, vand og sine robotter. Efter seks minutter så han robotterne slukke - og bekræftede gerningsmanden. Tilbage i laboratoriet fokuserede Wu på yderligere at isolere botsene, så de kunne modstå kolde temperaturer. Siden da har ingen af hans robotter lukket ned for kulde.
Wu håber at kunne inspirere andre til at bruge deres livserfaringer til at informere om deres robotdesign. Ved at gribe problemerne an fra en anden vinkel, kan man komme med ideer, som folk ikke har tænkt på før og kunne vise sig at fungere rigtig godt, siger han. Ikke kun veluddannede ingeniører kan lave robotter. Alle kan lave robotter.