Il robot a risparmio idrico che indossa la gonna

Fotografie di Bob O'Connor

Il Laboratorio di ricerca sulla meccatronica del MIT ospita armi robotiche, robot per il riciclaggio di telefoni cellulari, scanner 3-D e pesci robot. Ma il laboratorio, situato nel seminterrato dell'edificio 1, ospita anche un cimitero, una scatola sulla scrivania che fino a poco tempo fa era occupata dall'ingegnere meccanico You Wu, SM '14, PhD '18.

La scatola, che Wu chiama il cimitero del passato, contiene le versioni precedenti del suo robot, Daisy, un robot a forma di volano lungo quattro pollici in grado di navigare nei tubi per rilevare piccole perdite nelle griglie d'acqua. I robot sono stati messi a riposo dopo non aver funzionato come previsto, ma lo sforzo non è stato inutile, perché Wu ha imparato qualcosa da ciascuno. I primi tre si sono spenti quando sono stati immersi perché i loro corpi di gomma hanno perso. I successivi non hanno rilevato abbastanza bene le perdite. Il successo è arrivato con l'undicesima iterazione del robot. La versione attuale è la 17a.

Cresciuto a Changzhou, in Cina, Wu era ben consapevole dell'importanza della conservazione dell'acqua. La popolazione in crescita della città ha stressato così tanto le sue reti elettriche e idriche che le autorità hanno pianificato interruzioni deliberate per razionare le risorse. L'azienda che impiega i genitori di Wu, entrambi ingegneri, ha dovuto spostare il suo fine settimana a domenica e lunedì per aggirarli. Così, al suo arrivo al MIT nel 2012 dopo aver studiato ingegneria meccanica alla Purdue University, dove si è concentrato su dispositivi indossabili come un guanto touch-and-feel per la realtà virtuale e i videogiochi, Wu è entrato a far parte del Mechatronics Research Lab del professor Kamal Youcef-Toumi, SM '81, ScD '85 e ha iniziato a lavorare al progetto di rilevamento delle perdite del laboratorio. Dimitrios Chatzigorgiou, PhD '15, aveva sviluppato un dispositivo per identificare le perdite di gas e Wu è stato incaricato di adattarlo alle tubazioni dell'acqua.

Wu è stato attratto dall'idea di aiutare ad affrontare un grave problema: la rete idrica media perde circa un quinto della sua fornitura a causa di perdite. La Banca Mondiale stima che ogni anno, oltre 32 miliardi di metri cubi di acqua trattata fuoriescano dai sistemi di approvvigionamento idrico urbano in tutto il mondo. Negli Stati Uniti, le utility lottano per far fronte a infrastrutture fatiscenti e tubi che invecchiano. In un sondaggio del 2012 sui fornitori di acqua degli Stati Uniti nella regione dei Grandi Laghi, 55 intervistati hanno stimato che le 63.000 miglia di tubi che gestivano collettivamente perdevano 66,5 miliardi di galloni d'acqua all'anno, abbastanza per fornire acqua pulita a 1,9 milioni di americani per un anno. Oltre allo spreco di acqua, grandi perdite possono causare inondazioni e doline, che non solo minacciano la sicurezza pubblica, ma possono portare a danni alle infrastrutture che costano milioni di dollari per la riparazione.

L'attuale tecnologia di rilevamento delle perdite d'acqua può solo dirti di perdite che crescono fino a una certa dimensione, perdite solo quando sono grandi, dice Wu. I dispositivi acustici che ascoltano i suoni o le vibrazioni associati a una perdita possono captare i cambiamenti nel flusso d'acqua centimetro per centimetro attraverso un tubo, ma funzionano solo quando le perdite sono abbastanza grandi da far risaltare le loro vibrazioni dal rumore di fondo (come il suono delle automobili su una strada vicina). Tali perdite, dice Wu, spesso scorrono a 10 galloni al minuto, circa il doppio della velocità dell'acqua che fuoriesce dal soffione medio della doccia.

Non è abbastanza, dice Wu. Le perdite crescono da piccole a grandi. Vogliamo percepirli prima che diventino grandi, così puoi risparmiare acqua e anche proteggere le infrastrutture.

Tu Wu, SM '14, PhD '18, ti sei reso conto che una gonna sarebbe stata un buon sensore dopo averne calpestato una. Calpesti la gonna di qualcuno e loro lo sanno, dice.

Per rilevare piccole perdite, il Mechatronics Research Lab si è concentrato sulla fornitura di robot nei tubi, per rilevare le perdite dall'interno. Quando Wu si è unito, il laboratorio stava lavorando su un robot semovente con un tamburo di rilevamento che ha dimostrato che era possibile rilevare perdite di gas su scala millimetrica. Ma quando Wu ha testato la sua capacità di rilevare le perdite d'acqua, ha scoperto che la turbolenza dell'acqua gli impediva di distinguere tra perdite e altri rumori ambientali. Quindi, quando è diventato responsabile del progetto nel 2015, ha iniziato a pensare ad altri modi per affrontare il rilevamento delle perdite.

Mentre organizzava una festa estiva nel 2016, Wu ha accidentalmente calpestato la gonna del vestito lungo della sua ragazza. Improvvisamente gli venne in mente che sarebbe stato quasi impossibile calpestare o tirare una gonna senza che chi lo indossa se ne accorgesse. Calpesti la gonna di qualcuno e loro sapere , lui dice. Che aha! momento gli ha dato l'idea di sostituire il tamburo di rilevamento delle perdite del robot con una gonna di rilevamento. Con quel concetto come punto di partenza, ha attinto alla sua esperienza di robotica morbida e ha completamente riprogettato il robot.

Il risultato è stato Daisy, il rilevatore di perdite colorato, morbido e con la gonna. Realizzato con gomme e plastica stampate in 3D e modellate a mano, ogni robot Daisy viene assemblato a mano in laboratorio. Il piccolo robot ha una dura testa gialla, un corpo flessibile semitrasparente contenente elettronica e una gonna blu brillante piena di sensori. Ogni parte gioca un ruolo importante, ma è la gonna a svolgere il lavoro più difficile: rilevare le perdite.

Inserito nelle reti idriche in corrispondenza di giunzioni accessibili, come gli idranti antincendio, Daisy è progettato per ispezionare le tubazioni senza interrompere il servizio. Mentre l'acqua scorre, il robot viene portato avanti, trascinando la gonna lungo la superficie interna del tubo. Se c'è una perdita, la pressione di aspirazione di accompagnamento tira la gonna, i cui sensori registrano la forza, individuando la posizione della perdita entro un piede. Rileva anche la forma della perdita e la sua velocità, anche se è lenta come un gallone al minuto. Una volta che Daisy viaggia attraverso una griglia, tutti i dati che raccoglie possono essere caricati su un laptop e visualizzati in formato mappa. La possibilità di generare una mappa aggiornata dei tubi della griglia è di per sé utile, poiché le modifiche relative alla costruzione spesso non vengono mappate. E quando Daisy trova delle perdite, essere in grado di puntare su di esse mentre sono piccole rende possibile ripararle con interruzioni minime, limitando i costi di riparazione e la perdita d'acqua.

Le perdite crescono da piccole a grandi. Vogliamo percepirli prima che diventino grandi, così puoi risparmiare acqua e anche proteggere le infrastrutture.

Nell'agosto 2017, Wu ha fondato una startup per commercializzare Daisy come strumento di ricerca di perdite per i tubi dell'acqua. Nel giugno 2018, ha sciolto quella società (il cui nome, Pipeguard Robotics, è stato utilizzato anche da una società di isolamento dei tubi) e ha incorporato WatchTower Robotics per continuare a sviluppare Daisy, che ora commercializza come prodotto chiamato Lighthouse. Dopo la laurea a giugno, ha lavorato a tempo pieno nell'azienda; ha trascorso l'estate a Denver presso il Techstars Technology Accelerator. Ormai esperto nello spiegare la tecnologia di Daisy e il suo potenziale impatto, ha vinto numerosi concorsi di sostenibilità e premi di design, tra cui il MIT Water Innovation Prize, il Boston HUBWeek Demo Day Pitch Grand Prize, il James Dyson Award 2018 negli Stati Uniti e il Future Innovator of il premio dell'anno al Summit sull'impatto della Environmental Media Association del 2018 a Los Angeles. È stato anche scelto come MIT Solve Fellow ed è stato nominato come uno dei Forbes 30 Under 30 in Manufacturing and Industry della rivista per il 2018. (Non pensavo di farcela, dice del Forbes elenco.)

Mentre l'undicesima versione di Daisy funzionava, Wu sta ancora modificando il design. Per ogni iterazione, salda insieme l'elettronica interna del robot, prepara stampi in gomma e codifica i microchip che trasferiscono i dati dal robot allo schermo del computer. Per i suoi primi modelli, ha versato della gomma blu nello stampo della gonna di Daisy e ha incorporato varie configurazioni di pezzi di gomma nera conduttivi nella gonna prima che la gomma blu si indurisse. Quei pezzi di gomma nera fungono da sensori: quando un cambiamento nel flusso d'acqua li allunga o li comprime, la loro resistenza cambia e Daisy registra il cambiamento nella corrente elettrica che li attraversa.

Poi ha avuto l'idea di cucire i suoi sensori su un tessuto secondo uno schema specifico e poi immergere quel tessuto nella gomma blu liquida, polimerizzandoli insieme nello stampo della gonna. Quando si solidifica, la gomma avvolge il tessuto e il materiale di rilevamento, rendendo il pannello di rilevamento risultante impermeabile, flessibile e resistente allo strappo. Quel brainstorming, che ha portato alla versione numero 14 di Daisy, ha inviato Wu su YouTube per imparare a usare una macchina da cucire. L'incorporazione del tessuto nella gonna carica di sensori fa sì che si muova solo in determinate direzioni in risposta a tipi specifici di perdite, consentendo a Daisy di fornire informazioni più accurate sulle perdite che incontra. Altre modifiche hanno migliorato l'interfaccia utente del bot, rendendo più facile per gli utenti leggere e interpretare i dati di rilevamento. E nel processo di ampliamento di Daisy nel prodotto commerciale Lighthouse, Wu ha sviluppato una gamma di dimensioni da 2 a 16 pollici per adattarsi a tubi di diverso diametro.

Mark Gwynne, direttore IT di Severn Trent Water, un'azienda idrica con sede nel Regno Unito, ha aiutato a coordinare i test sul campo del robot di Wu nel Regno Unito nel gennaio 2018. Possiamo sicuramente vedere un posto per questo in termini di far parte del kit di strumenti per tutti i nostri ingegneri dell'acqua, dice Gwynne. La tecnologia è totalmente rivoluzionaria.

Ma quando le cose non vanno bene in un test, anche queste sono informazioni utili. Durante i test sul campo in Virginia lo scorso gennaio, Wu ha notato che il suo robot avrebbe smesso di raccogliere dati per circa sei minuti durante il suo viaggio attraverso il tubo dell'acqua. Sospettava che le acque quasi gelate interrompessero l'elettronica del robot, ma sul campo non riusciva a determinare se la sua intuizione fosse corretta. Così quella sera, Wu torreggiava sulla vasca da bagno dell'hotel, che riempì di ghiaccio, acqua e dei suoi robot. Sei minuti dopo, ha visto i robot spegnersi e ha confermato il colpevole. Tornato in laboratorio, Wu si è concentrato sull'ulteriore isolamento dei robot in modo che potessero resistere alle basse temperature. Da allora, nessuno dei suoi robot si è spento dal freddo.

Wu spera di ispirare gli altri a usare le loro esperienze di vita per informare i loro progetti di robot. Affrontando i problemi da una diversa angolazione, puoi inventare idee a cui le persone non hanno pensato prima e che potrebbero funzionare davvero bene, dice. Non solo ingegneri ben addestrati possono realizzare robot. Tutti possono creare robot.

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