211service.com
Den kjolbärande, vattenbesparande roboten
Fotografier av Bob O'Connor
MIT:s Mechatronics Research Laboratory är hem för robotarmar, robotar för återvinning av mobiltelefoner, 3D-skannrar och robotfiskar. Men laboratoriet, som ligger i källaren i byggnad 1, rymmer också en kyrkogård – en låda på skrivbordet som tills nyligen var upptagen av maskiningenjören You Wu, SM ’14, PhD ’18.
Lådan, som Wu kallar det förflutnas kyrkogård, innehåller tidigare versioner av sin robot, Daisy - en fyra tum lång fjäderbollsformad bot som kan navigera i rör för att upptäcka små läckor i vattennät. Robotarna lades ner efter att ha misslyckats med att prestera som de var tänkta – men ansträngningen var inte förgäves, eftersom Wu lärde sig något av var och en. De tre första stängdes av när de var nedsänkta eftersom deras gummikroppar läckte. De nästa upptäckte inte läckor tillräckligt bra. Framgången kom med robotens 11:e iteration. Den nuvarande versionen är den 17:e.
När Wu växte upp i Changzhou, Kina, var Wu väl medveten om vikten av att spara vatten. Stadens växande befolkning stressade dess el- och vattennät så hårt att myndigheterna planerade avsiktliga avbrott för att ransonera resurser. Företaget som anställde Wus föräldrar, båda ingenjörer, var tvungna att flytta sin helg till söndag och måndag för att arbeta runt dem. Så när han kom till MIT 2012 efter att ha studerat maskinteknik vid Purdue University, där han fokuserade på bärbara enheter som en touch-and-feel-handske för virtuell verklighet och videospel, gick Wu med i Mechatronics Research Lab av professor Kamal Youcef-Toumi, SM '81, ScD '85, och började arbeta med labbets läcksökningsprojekt. Dimitrios Chatzigeorgiou, PhD '15, hade utvecklat en enhet för att identifiera gasläckor, och Wu anklagades för att anpassa den för vattenledningar.
Wu drogs till idén om att hjälpa till att ta itu med ett stort problem: det genomsnittliga vattennätet förlorar ungefär en femtedel av sin tillgång till läckor. Världsbanken uppskattar att det varje år summerar till mer än 32 miljarder kubikmeter behandlat vatten som läcker ut från stadsvattenförsörjningssystem runt om i världen. I USA kämpar kraftbolag för att klara av sönderfallande infrastruktur och åldrande rör. I en undersökning 2012 av amerikanska vattenleverantörer i Great Lakes-regionen uppskattade 55 respondenter att de 63 000 miles av rör som de tillsammans förvaltade läckte 66,5 miljarder liter vatten årligen – tillräckligt för att förse 1,9 miljoner amerikaner med rent vatten under ett år. Förutom att slösa med vatten kan stora läckor orsaka översvämningar och sjunkhål, som inte bara hotar den allmänna säkerheten utan kan leda till skador på infrastrukturen som kostar miljontals dollar att reparera.
Den nuvarande tekniken för detektering av vattenläckor kan bara berätta om läckor som växer till en viss storlek - bara läckor när de är stora, säger Wu. Akustiska enheter som lyssnar efter ljud eller vibrationer i samband med en läcka kan fånga upp förändringar i vattenflödet tum för tum över ett rör, men de fungerar bara när läckorna är tillräckligt stora för att få deras vibrationer att sticka ut från bakgrundsljud (som ljudet från bilar) på en närliggande väg). Sådana läckor, säger Wu, flyter ofta med 10 liter per minut - ungefär dubbelt så snabbt som vattenhastigheten som kommer ut från det genomsnittliga duschhuvudet.
Det är inte tillräckligt bra, säger Wu. Läckor växer från små till stora. Vi vill känna av dem innan de växer till stora, så att du kan spara vatten och även skydda infrastrukturen.
You Wu, SM ’14, PhD ’18, insåg att en kjol skulle vara en bra sensor efter att ha trampat på en. Du kliver på någons kjol, och de vet, säger han.
För att upptäcka små läckor fokuserade Mechatronics Research Lab på att leverera robotar i rör, för att känna av läckor inifrån. När Wu gick med arbetade labbet på en självgående robot med en avkänningstrumma som bevisade att det var möjligt att upptäcka gasläckor i millimeterskala. Men när Wu testade dess förmåga att upptäcka vattenläckor fann han att vattenturbulens hindrade den från att skilja mellan läckor och annat omgivande ljud. Så när han blev projektledare 2015 började han fundera på andra sätt att närma sig läcksökning.
När Wu var värd för en sommarfest 2016, trampade Wu av misstag på kjolen på sin flickväns långa klänning. Det gick plötsligt upp för honom att det skulle vara nästan omöjligt att trampa på eller dra i en kjol utan att bäraren insåg det. Du kliver på någons kjol, och de känna till , han säger. Det aha! ögonblicket gav honom idén att ersätta robotens läckagedetekterande avkänningstrumma med en avkänningskjol. Med det konceptet som utgångspunkt utnyttjade han sin expertis inom mjukrobotik och gjorde om roboten helt och hållet.
Resultatet blev Daisy, den kjolklädda, squishy, färgglada läckagedetektorn. Tillverkad med 3-D-tryckta och handgjutna gummin och plaster, varje Daisy-bot monteras för hand i labbet. Den lilla roboten har ett hårt gult huvud, en halvtransparent flexibel kropp som innehåller elektronik och en klarblå sensorfylld kjol. Varje del spelar en viktig roll, men det är kjolen som utför det svåraste jobbet: att upptäcka läckorna.
Insatt i vattengaller vid åtkomliga korsningar, som brandposter, är Daisy designad för att inspektera rör utan att störa servicen. När vattnet rinner igenom, bärs boten med och drar sin kjol längs rörets inre yta. Om det finns en läcka drar det medföljande sugtrycket i kjolen, vars sensorer registrerar kraften och pekar ut var läckan befinner sig inom en fot. Den upptäcker också formen på läckan och dess hastighet – även om den är så långsam som en gallon per minut. När Daisy färdas genom ett rutnät kan all data som den samlar in laddas upp till en bärbar dator och visas i kartformat. Möjligheten att generera en uppdaterad karta över nätets rör är i sig användbar, eftersom konstruktionsrelaterade förändringar ofta inte kartläggs. Och när Daisy upptäcker läckor, att kunna nollställa dem medan de är små gör det möjligt att åtgärda dem med minimala störningar, vilket begränsar reparationskostnaderna och vattenförlusten.
Läckor växer från små till stora. Vi vill känna av dem innan de växer till stora, så att du kan spara vatten och även skydda infrastrukturen.
I augusti 2017 grundade Wu en startup för att kommersialisera Daisy som ett läcksökningsverktyg för vattenledningar. I juni 2018 upplöste han det företaget (vars namn, Pipeguard Robotics, också användes av ett rörisoleringsföretag) och införlivade WatchTower Robotics för att fortsätta utveckla Daisy, som han nu marknadsför som en produkt som heter Lighthouse. Sedan han tog examen i juni har han arbetat heltid på företaget; han tillbringade sommaren i Denver vid Techstars Technology Accelerator. Vid det här laget är han väl insatt i att förklara Daisys teknologi och dess potentiella inverkan, han har vunnit många hållbarhetstävlingar och designpriser, inklusive MIT Water Innovation Prize, Boston HUBWeek Demo Day Pitch Grand Prize, 2018 US James Dyson Award, och Future Innovator of Årets pris vid 2018 Environmental Media Association Impact Summit i Los Angeles. Han valdes också till MIT Solve Fellow och utsågs till en av Forbes tidningens 30 Under 30 in Manufacturing and Industry för 2018. (Jag trodde inte att jag skulle klara det, säger han om Forbes lista.)
Medan den 11:e versionen av Daisy fungerade, justerar Wu fortfarande designen. För varje iteration löder han ihop robotens interna elektronik, förbereder gummiformar och kodar mikrochipsen som överför data från roboten till datorskärmen. För sina tidiga konstruktioner hällde han blått gummi i Daisys kjolform och bäddade in olika konfigurationer av ledande svarta gummibitar i kjolen innan det blå gummit härdade. Dessa bitar av svart gummi fungerar som sensorer: när en förändring i vattenflödet sträcker ut eller komprimerar dem ändras deras motstånd, och Daisy registrerar förändringen i den elektriska strömmen som flyter genom dem.
Sedan fick han idén att sy sina sensorer på tyget i ett specifikt mönster och sedan sänka det tyget i det flytande blåa gummit och härda ihop dem i kjolformen. När det stelnade, skulle gummit omsluta tyget och avkänningsmaterialet, vilket gör den resulterande avkänningskjolen vattentät, flexibel och motståndskraftig mot rivning. Den brainstormen – som ledde till Daisy version nummer 14 – skickade Wu till YouTube för att lära sig själv hur man använder en symaskin. Att införliva tyg i den sensorbelastade kjolen gör att den bara rör sig i vissa riktningar som svar på specifika typer av läckor, vilket gör att Daisy kan ge mer exakt information om läckorna den stöter på. Andra tweaks har förbättrat botens användargränssnitt, vilket gör det lättare för användare att läsa och tolka upptäcktsdata. Och i processen att skala upp Daisy till den kommersiella Lighthouse-produkten har Wu utvecklat en rad storlekar från 2 till 16 tum för att passa olika rördiametrar.
Mark Gwynne, IT-direktör för Severn Trent Water, ett vattenföretag baserat i Storbritannien, hjälpte till att koordinera fälttester av Wus robot i Storbritannien i januari 2018. Vi kan definitivt se en plats för den när det gäller att vara en del av verktygssatsen för alla våra vatteningenjörer, säger Gwynne. Tekniken är helt banbrytande.
Men när det inte går bra i ett test är det också användbar information. Under fälttester i Virginia i januari förra året märkte Wu att hans robot skulle sluta samla in data ungefär sex minuter in på sin resa genom vattenröret. Han misstänkte att det nästan frysta vattnet stängde av robotens elektronik, men på fältet kunde han inte avgöra om hans aning var korrekt. Så den kvällen tornade Wu sig över sitt hotellbadkar, som han fyllde med is, vatten och sina robotar. Efter sex minuter såg han robotarna stängas av – och bekräftade gärningsmannen. Tillbaka i labbet fokuserade Wu på att ytterligare isolera botarna så att de kunde stå emot kalla temperaturer. Sedan dess har ingen av hans robotar stängts av från kyla.
Wu hoppas kunna inspirera andra att använda sina livserfarenheter för att informera sina robotdesigner. Genom att närma sig problem från en annan vinkel kan man komma på idéer som folk inte har tänkt på tidigare och som skulle kunna visa sig fungera riktigt bra, säger han. Inte bara välutbildade ingenjörer kan göra robotar. Alla kan göra robotar.