211service.com
De rok-dragende, waterbesparende robot
Foto's door Bob O'Connor
Het Mechatronics Research Laboratory van MIT is de thuisbasis van robotarmen, robots voor het recyclen van mobiele telefoons, 3D-scanners en robotvissen. Maar het laboratorium, dat zich in de kelder van Gebouw 1 bevindt, herbergt ook een begraafplaats - een doos op het bureau die tot voor kort werd bewoond door werktuigbouwkundig ingenieur You Wu, SM ’14, PhD ’18.
De doos, die Wu het kerkhof van het verleden noemt, bevat eerdere versies van zijn robot, Daisy - een vier-inch lange shuttle-vormige bot die door pijpen kan navigeren om kleine lekken in waterroosters te detecteren. De robots werden tot rust gebracht nadat ze niet hadden gepresteerd zoals bedoeld, maar de moeite was niet voor niets, want Wu leerde van elk iets. De eerste drie sloten af wanneer ze onder water kwamen omdat hun rubberen lichamen lekten. De volgende paar detecteerden lekken niet goed genoeg. Het succes kwam met de 11e iteratie van de robot. De huidige versie is de 17e.
Wu groeide op in Changzhou, China, en was zich terdege bewust van het belang van waterbesparing. De snelgroeiende bevolking van de stad had zo'n last van de elektriciteits- en waternetwerken dat de autoriteiten opzettelijke onderbrekingen planden om de hulpbronnen te rantsoeneren. Het bedrijf met de ouders van Wu, beide ingenieurs, moest het weekend verschuiven naar zondag en maandag om om hen heen te werken. Dus toen hij in 2012 bij MIT aankwam na zijn studie werktuigbouwkunde aan de Purdue University, waar hij zich richtte op draagbare apparaten zoals een touch-and-feel-handschoen voor virtual reality en videogames, trad Wu toe tot het Mechatronics Research Lab van professor Kamal Youcef-Toumi, SM '81, ScD '85, en begon te werken aan het lekdetectieproject van het lab. Dimitrios Chatzigeorgiou, PhD ’15, had een apparaat ontwikkeld om gaslekken te identificeren, en Wu kreeg de opdracht om het aan te passen voor waterleidingen.
Wu voelde zich aangetrokken tot het idee om een groot probleem aan te pakken: het gemiddelde waternetwerk verliest ongeveer een vijfde van zijn voorraad door lekkages. De Wereldbank schat dat elk jaar meer dan 32 miljard kubieke meter behandeld water lekt uit stedelijke watervoorzieningssystemen over de hele wereld. In de VS worstelen nutsbedrijven met afbrokkelende infrastructuur en verouderde leidingen. In een onderzoek uit 2012 onder Amerikaanse waterleveranciers in het gebied van de Grote Meren schatten 55 respondenten dat de 63.000 mijl aan leidingen die ze gezamenlijk beheerden 66,5 miljard gallons water per jaar lekten - genoeg om 1,9 miljoen Amerikanen een jaar lang van schoon water te voorzien. Naast het verspillen van water, kunnen grote lekken ook overstromingen en zinkgaten veroorzaken, die niet alleen een bedreiging vormen voor de openbare veiligheid, maar ook kunnen leiden tot schade aan de infrastructuur die miljoenen dollars kost om te repareren.
De huidige technologie voor het detecteren van waterlekken kan je alleen vertellen over lekken die tot een bepaalde grootte groeien - alleen lekken als ze groot zijn, zegt Wu. Akoestische apparaten die luisteren naar geluiden of trillingen die verband houden met een lek, kunnen centimeter voor centimeter veranderingen in de waterstroom door een pijp oppikken, maar ze werken alleen wanneer de lekkage groot genoeg is om hun trillingen te onderscheiden van achtergrondgeluid (zoals het geluid van auto's op een nabijgelegen weg). Dergelijke lekken, zegt Wu, stromen vaak met 10 gallon per minuut - ongeveer twee keer zo snel als de snelheid van water dat ontsnapt uit de gemiddelde douchekop.
Dat is niet goed genoeg, zegt Wu. Lekkages groeien van klein naar groot. We willen ze voelen voordat ze uitgroeien tot grote, zodat u water kunt besparen en ook de infrastructuur kunt beschermen.
Jij Wu, SM ’14, PhD ’18, realiseerde zich dat een rok een goede sensor zou zijn nadat je erop was gestapt. Je stapt op iemands rok en ze weten het, zegt hij.
Om kleine lekken op te sporen, richtte het Mechatronics Research Lab zich op het leveren van robots in leidingen, om lekken van binnenuit te detecteren. Toen Wu toetrad, werkte het lab aan een zelfrijdende robot met een sensortrommel die bewees dat het mogelijk was om gaslekken op millimeterschaal op te sporen. Maar toen Wu zijn vermogen testte om waterlekken op te sporen, ontdekte hij dat waterturbulentie hem verhinderde onderscheid te maken tussen lekken en ander omgevingsgeluid. Dus toen hij in 2015 projectleider werd, begon hij na te denken over andere manieren om lekdetectie aan te pakken.
Tijdens een zomerfeest in 2016 stapte Wu per ongeluk op de rok van de lange jurk van zijn vriendin. Plotseling bedacht hij dat het bijna onmogelijk zou zijn om op een rok te stappen of eraan te trekken zonder dat de drager het beseft. Je stapt op iemands rok, en zij? weten , hij zegt. Dat aha! moment bracht hem op het idee om de lekdetecterende trommel van de robot te vervangen door een sensorrok. Met dat concept als uitgangspunt heeft hij zijn soft-robotica-expertise aangeboord en de robot volledig opnieuw ontworpen.
Het resultaat was Daisy, de rok-dragende, zachte, kleurrijke lekdetector. Elke Daisy-bot wordt met de hand in het laboratorium geassembleerd met 3D-geprinte en met de hand gevormde rubbers en kunststoffen. De kleine robot heeft een harde gele kop, een semi-transparant flexibel lichaam met elektronica en een felblauwe met sensor gevulde rok. Elk onderdeel speelt een belangrijke rol, maar het is de rok die het moeilijkste werk doet: het opsporen van de lekken.
Daisy is ingevoegd in waterroosters op toegankelijke kruispunten, zoals brandkranen, en is ontworpen om leidingen te inspecteren zonder de service te onderbreken. Terwijl er water doorheen stroomt, wordt de bot meegedragen en sleept zijn rok langs het binnenoppervlak van de pijp. Als er een lek is, trekt de bijbehorende zuigdruk aan de rok, waarvan de sensoren de kracht registreren en de locatie van het lek binnen één voet lokaliseren. Het detecteert ook de vorm van het lek en de snelheid ervan, zelfs als het zo langzaam is als een gallon per minuut. Zodra Daisy door een raster reist, kunnen alle verzamelde gegevens naar een laptop worden geüpload en in kaartformaat worden bekeken. De mogelijkheid om een up-to-date kaart van de leidingen van het net te genereren is op zich al handig, aangezien constructie-gerelateerde veranderingen vaak niet in kaart worden gebracht. En als Daisy lekken vindt, kunnen ze, terwijl ze klein zijn, worden opgelost met minimale verstoring, waardoor reparatiekosten en waterverlies worden beperkt.
Lekkages groeien van klein naar groot. We willen ze voelen voordat ze uitgroeien tot grote, zodat u water kunt besparen en ook de infrastructuur kunt beschermen.
In augustus 2017 richtte Wu een startup op om Daisy te commercialiseren als een lekzoektool voor waterleidingen. In juni 2018 ontbond hij dat bedrijf (waarvan de naam Pipeguard Robotics ook werd gebruikt door een bedrijf voor leidingisolatie) en richtte hij WatchTower Robotics op om Daisy verder te ontwikkelen, dat hij nu op de markt brengt als een product genaamd Lighthouse. Sinds zijn afstuderen in juni werkt hij fulltime bij het bedrijf; hij bracht de zomer door in Denver bij de Techstars Technology Accelerator. Inmiddels is hij goed thuis in het uitleggen van de technologie van Daisy en de potentiële impact ervan, en heeft hij vele duurzaamheidswedstrijden en designprijzen gewonnen, waaronder de MIT Water Innovation Prize, de Boston HUBWeek Demo Day Pitch Grand Prize, de US James Dyson Award 2018 en de Future Innovator of de Jaarprijs op de Environmental Media Association Impact Summit 2018 in Los Angeles. Hij werd ook gekozen als MIT Solve Fellow en werd genoemd als een van: Forbes magazine's 30 Under 30 in Manufacturing and Industry voor 2018. (Ik dacht niet dat ik het zou halen, zegt hij over de Forbes lijst.)
Terwijl de 11e versie van Daisy werkte, is Wu nog steeds bezig met het aanpassen van het ontwerp. Voor elke iteratie soldeert hij de interne elektronica van de robot aan elkaar, bereidt hij rubberen mallen voor en codeert hij de microchips die gegevens van de robot naar het computerscherm overbrengen. Voor zijn vroege ontwerpen goot hij blauw rubber in Daisy's rokvorm en plaatste verschillende configuraties van geleidende zwarte rubberen stukken in de rok voordat het blauwe rubber uithardde. Die stukjes zwart rubber dienen als sensoren: wanneer een verandering in de waterstroom ze uitrekt of comprimeert, verandert hun weerstand, en Daisy registreert de verandering in de elektrische stroom die er doorheen stroomt.
Toen kwam hij op het idee om zijn sensoren in een specifiek patroon op stof te naaien en die stof vervolgens onder te dompelen in het vloeibare blauwe rubber, en ze samen uit te harden in de rokvorm. Wanneer het stolde, zou het rubber de stof en het detectiemateriaal omsluiten, waardoor de resulterende detectierok waterdicht, flexibel en scheurvast werd. Die brainstorm - die leidde tot Daisy-versie nummer 14 - stuurde Wu naar YouTube om zichzelf te leren hoe hij een naaimachine moest gebruiken. Door stof op te nemen in de met sensoren beladen rok, beweegt deze alleen in bepaalde richtingen als reactie op specifieke soorten lekken, waardoor Daisy nauwkeurigere informatie kan verstrekken over de lekken die ze tegenkomt. Andere tweaks hebben de gebruikersinterface van de bot verbeterd, waardoor het voor gebruikers gemakkelijker is om detectiegegevens te lezen en te interpreteren. En in het proces van het opschalen van Daisy naar het commerciële Lighthouse-product, heeft Wu een reeks maten van 2 tot 16 inch ontwikkeld voor verschillende buisdiameters.
Mark Gwynne, IT-directeur van Severn Trent Water, een waterbedrijf gevestigd in het Verenigd Koninkrijk, hielp in januari 2018 bij het coördineren van veldtests van Wu's robot in het Verenigd Koninkrijk. We kunnen er zeker een plaats voor zien als onderdeel van de toolkit voor al onze wateringenieurs, zegt Gwynne. De technologie is totaal baanbrekend.
Maar als het bij een toets niet goed gaat, is dat ook nuttige informatie. Tijdens veldtesten in Virginia afgelopen januari merkte Wu op dat zijn robot ongeveer zes minuten na zijn reis door de waterleiding zou stoppen met het verzamelen van gegevens. Hij vermoedde dat het bijna ijskoude water de elektronica van de robot had uitgeschakeld, maar in het veld kon hij niet vaststellen of zijn vermoeden juist was. Dus die avond torende Wu boven zijn hotelbadkuip uit, die hij vulde met ijs, water en zijn robots. Zes minuten later zag hij de robots uitschakelen - en bevestigde de boosdoener. Terug in het lab concentreerde Wu zich op het verder isoleren van de bots, zodat ze bestand waren tegen koude temperaturen. Sindsdien is geen van zijn robots uitgeschakeld door de kou.
Wu hoopt anderen te inspireren om hun levenservaringen te gebruiken om hun robotontwerpen te informeren. Door problemen vanuit een andere hoek te benaderen, kun je op ideeën komen waar mensen nog niet eerder aan hebben gedacht en die heel goed zouden kunnen werken, zegt hij. Niet alleen goed opgeleide ingenieurs kunnen robots maken. Iedereen kan robots maken.