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Der rocktragende, wassersparende Roboter
Fotografien von Bob O’Connor
Das Mechatronics Research Laboratory des MIT beherbergt Roboterarme, Handy-Recycling-Roboter, 3-D-Scanner und Roboterfische. Aber das Labor im Untergeschoss von Gebäude 1 beherbergt auch einen Friedhof – eine Kiste auf dem Schreibtisch, die bis vor kurzem von Maschinenbauingenieur You Wu, SM ’14, PhD ’18, besetzt war.
Die Kiste, die Wu den Friedhof der Vergangenheit nennt, enthält frühere Versionen seines Roboters Daisy – ein vier Zoll langer, federballförmiger Bot, der in der Lage ist, Rohre zu navigieren, um kleine Lecks in Wassergittern zu erkennen. Die Roboter wurden beigesetzt, nachdem sie nicht wie beabsichtigt funktionierten – aber die Mühe war nicht umsonst, denn Wu lernte von jedem etwas. Die ersten drei schalteten ab, wenn sie unter Wasser waren, weil ihre Gummikörper undicht waren. Die nächsten paar erkannten Lecks nicht gut genug. Der Erfolg kam mit der 11. Iteration des Roboters. Die aktuelle Version ist die 17.
Aufgewachsen in Changzhou, China, war sich Wu der Bedeutung des Wassersparens bewusst. Die wachsende Bevölkerung der Stadt belastete ihre Strom- und Wassernetze so stark, dass die Behörden absichtliche Ausfälle planten, um die Ressourcen zu rationieren. Das Unternehmen, das Wus Eltern, beide Ingenieure, beschäftigt, musste sein Wochenende auf Sonntag und Montag verschieben, um sie zu umgehen. Als er 2012 nach seinem Studium des Maschinenbaus an der Purdue University, wo er sich auf tragbare Geräte wie einen Touch-and-Feel-Handschuh für Virtual Reality und Videospiele konzentrierte, am MIT ankam, trat Wu dem Mechatronics Research Lab von Professor Kamal Youcef-Toumi bei. SM '81, ScD '85 und begann mit der Arbeit am Leckerkennungsprojekt des Labors. Dimitrios Chatzigeorgiou, PhD ’15, hatte ein Gerät entwickelt, um Gaslecks zu identifizieren, und Wu wurde damit beauftragt, es für Wasserleitungen anzupassen.
Wu war von der Idee angezogen, zur Lösung eines großen Problems beizutragen: Das durchschnittliche Wassernetz verliert etwa ein Fünftel seiner Versorgung durch Lecks. Die Weltbank schätzt, dass jedes Jahr mehr als 32 Milliarden Kubikmeter aufbereitetes Wasser aus städtischen Wasserversorgungssystemen auf der ganzen Welt austreten. In den USA kämpfen Versorgungsunternehmen mit bröckelnder Infrastruktur und alternden Rohren. In einer Umfrage von 2012 unter US-Wasserversorgern in der Region der Großen Seen schätzten 55 Befragte, dass die 63.000 Meilen von Rohren, die sie gemeinsam verwalteten, jährlich 66,5 Milliarden Gallonen Wasser austraten – genug, um 1,9 Millionen Amerikaner ein Jahr lang mit sauberem Wasser zu versorgen. Abgesehen von Wasserverschwendung können große Lecks Überschwemmungen und Dolinen verursachen, die nicht nur die öffentliche Sicherheit bedrohen, sondern auch zu Infrastrukturschäden führen können, deren Reparatur Millionen von Dollar kostet.
Die derzeitige Technologie zur Erkennung von Wasserlecks kann Sie nur über Lecks informieren, die eine bestimmte Größe erreichen – nur Lecks, wenn sie groß sind, sagt Wu. Akustische Geräte, die auf Geräusche oder Vibrationen im Zusammenhang mit einem Leck achten, können Änderungen des Wasserflusses Zoll für Zoll durch ein Rohr erfassen, aber sie funktionieren nur, wenn Lecks groß genug sind, um ihre Vibrationen von Hintergrundgeräuschen (wie dem Geräusch von Autos) abzuheben auf einer nahe gelegenen Straße). Solche Lecks, sagt Wu, fließen oft mit 10 Gallonen pro Minute – etwa doppelt so schnell wie die Wassermenge, die aus einem durchschnittlichen Duschkopf austritt.
Das ist nicht gut genug, sagt Wu. Lecks werden von winzig zu groß. Wir wollen sie spüren, bevor sie zu großen werden, damit Sie Wasser sparen und auch die Infrastruktur schützen können.
You Wu, SM ’14, PhD ’18, erkannte, dass ein Rock ein guter Sensor wäre, nachdem man auf einen getreten wäre. Du trittst jemandem auf den Rock, und er weiß es, sagt er.
Um kleine Lecks zu erkennen, konzentrierte sich das Mechatronics Research Lab darauf, Roboter in Rohre zu bringen, um Lecks von innen zu erkennen. Als Wu hinzukam, arbeitete das Labor an einem selbstfahrenden Roboter mit einer Messtrommel, die bewies, dass es möglich war, Gaslecks im Millimeterbereich zu erkennen. Als Wu jedoch seine Fähigkeit testete, Wasserlecks zu erkennen, stellte er fest, dass Wasserturbulenzen ihn daran hinderten, zwischen Lecks und anderen Umgebungsgeräuschen zu unterscheiden. Als er 2015 Projektleiter wurde, begann er über andere Wege zur Lecksuche nachzudenken.
Als er 2016 eine Sommerparty veranstaltete, trat Wu versehentlich auf den Rock des langen Kleides seiner Freundin. Plötzlich kam ihm in den Sinn, dass es nahezu unmöglich wäre, auf einen Rock zu treten oder daran zu ziehen, ohne dass die Trägerin es merkt. Du trittst jemandem auf den Rock und sie wissen , er sagt. Das Aha! Moment brachte ihn auf die Idee, die Lecksuchtrommel des Roboters durch eine Fühlerschürze zu ersetzen. Mit diesem Konzept als Ausgangspunkt nutzte er seine Soft-Robotik-Expertise und gestaltete den Roboter komplett neu.
Das Ergebnis war Daisy, der rocktragende, matschige, bunte Lecksucher. Jeder Daisy-Bot besteht aus 3-D-gedruckten und handgeformten Gummis und Kunststoffen und wird im Labor von Hand zusammengebaut. Der kleine Roboter hat einen harten, gelben Kopf, einen halbtransparenten, flexiblen Körper mit Elektronik und einen hellblauen, mit Sensoren gefüllten Rock. Jedes Teil spielt eine wichtige Rolle, aber es ist die Schürze, die die schwierigste Aufgabe erfüllt: das Aufspüren von Lecks.
Daisy wird an zugänglichen Abzweigungen, wie z. B. Hydranten, in Wassernetze eingesetzt und dient zur Inspektion von Rohren ohne Betriebsunterbrechung. Wenn Wasser durchfließt, wird der Bot mitgenommen und zieht seinen Rock entlang der Innenfläche des Rohrs. Wenn es ein Leck gibt, zerrt der begleitende Saugdruck an der Schürze, deren Sensoren die Kraft aufzeichnen und die Stelle des Lecks innerhalb eines Fußes lokalisieren. Es erkennt auch die Form des Lecks und seine Rate – selbst wenn es nur eine Gallone pro Minute ist. Sobald Daisy durch ein Gitter reist, können alle gesammelten Daten auf einen Laptop hochgeladen und im Kartenformat angezeigt werden. Die Möglichkeit, eine aktuelle Karte der Rohre des Netzes zu erstellen, ist an sich nützlich, da baubedingte Änderungen oft nicht abgebildet werden. Und wenn Daisy Lecks findet, können sie durch die Möglichkeit, sie zu lokalisieren, solange sie noch klein sind, mit minimaler Unterbrechung repariert werden, wodurch Reparaturkosten und Wasserverlust begrenzt werden.
Lecks werden von winzig zu groß. Wir wollen sie spüren, bevor sie zu großen werden, damit Sie Wasser sparen und auch die Infrastruktur schützen können.
Im August 2017 gründete Wu ein Startup, um Daisy als Lecksuchwerkzeug für Wasserleitungen zu kommerzialisieren. Im Juni 2018 löste er dieses Unternehmen auf (dessen Name Pipeguard Robotics auch von einem Rohrisolierungsunternehmen verwendet wurde) und gründete WatchTower Robotics, um Daisy weiterzuentwickeln, das er nun als Produkt namens Lighthouse vermarktet. Seit seinem Abschluss im Juni arbeitet er Vollzeit im Unternehmen; Den Sommer verbrachte er in Denver beim Techstars Technology Accelerator. Inzwischen ist er versiert darin, die Technologie von Daisy und ihre potenziellen Auswirkungen zu erklären, und hat viele Nachhaltigkeitswettbewerbe und Designpreise gewonnen, darunter den MIT Water Innovation Prize, den Boston HUBWeek Demo Day Pitch Grand Prize, den US James Dyson Award 2018 und den Future Innovator of the Year Award beim Impact Summit 2018 der Environmental Media Association in Los Angeles. Er wurde auch als MIT Solve Fellow ausgewählt und als einer von ihnen benannt Forbes Magazin 30 Under 30 in Manufacturing and Industry für 2018. (Ich hätte nicht gedacht, dass ich es schaffe, sagt er über die Forbes aufführen.)
Während die 11. Version von Daisy funktionierte, optimiert Wu immer noch das Design. Für jede Iteration lötet er die interne Elektronik des Roboters zusammen, bereitet Gummiformen vor und kodiert die Mikrochips, die Daten vom Roboter auf den Computerbildschirm übertragen. Für seine frühen Entwürfe goss er blauen Gummi in Daisys Rockform und bettete verschiedene Konfigurationen aus leitfähigen schwarzen Gummistücken in den Rock ein, bevor der blaue Gummi aushärtete. Diese schwarzen Gummistücke dienen als Sensoren: Wenn eine Änderung des Wasserflusses sie dehnt oder zusammendrückt, ändert sich ihr Widerstand, und Daisy zeichnet die Änderung des durch sie fließenden elektrischen Stroms auf.
Dann kam ihm die Idee, seine Sensoren in einem bestimmten Muster auf Stoff zu nähen und diesen Stoff dann in den flüssigen blauen Gummi zu tauchen und sie zusammen in der Rockform auszuhärten. Wenn es sich verfestigt, würde der Gummi den Stoff und das Sensormaterial umhüllen, wodurch der resultierende Sensorrock wasserdicht, flexibel und reißfest wird. Dieses Brainstorming, das zu Daisy Version Nummer 14 führte, schickte Wu zu YouTube, um sich selbst beizubringen, wie man eine Nähmaschine benutzt. Das Einarbeiten von Gewebe in die mit Sensoren beladene Schürze bewirkt, dass sie sich als Reaktion auf bestimmte Arten von Lecks nur in bestimmte Richtungen bewegt, sodass Daisy genauere Informationen über die Lecks liefern kann, auf die sie stößt. Andere Optimierungen haben die Benutzeroberfläche des Bots verbessert, sodass Benutzer Erkennungsdaten einfacher lesen und interpretieren können. Und im Prozess der Skalierung von Daisy zum kommerziellen Lighthouse-Produkt hat Wu eine Reihe von Größen von 2 bis 16 Zoll entwickelt, um unterschiedliche Rohrdurchmesser aufzunehmen.
Mark Gwynne, IT-Direktor von Severn Trent Water, einem Wasserversorgungsunternehmen mit Sitz im Vereinigten Königreich, half im Januar 2018 bei der Koordinierung von Feldtests von Wus Roboter in Großbritannien. Wir können definitiv einen Platz dafür als Teil des Toolkits sehen für alle unsere Wasseringenieure, sagt Gwynne. Die Technologie ist absolut bahnbrechend.
Aber wenn es bei einem Test nicht so gut läuft, sind das auch nützliche Informationen. Bei Feldtests in Virginia im vergangenen Januar bemerkte Wu, dass sein Roboter etwa sechs Minuten nach seiner Reise durch die Wasserleitung aufhörte, Daten zu sammeln. Er vermutete, dass das fast eiskalte Wasser die Elektronik des Roboters abgeschaltet hatte, aber im Feld konnte er nicht feststellen, ob seine Vermutung richtig war. So überragte Wu an diesem Abend seine Hotelbadewanne, die er mit Eis, Wasser und seinen Robotern füllte. Nach sechs Minuten sah er, wie sich die Roboter abschalteten – und bestätigte den Schuldigen. Zurück im Labor konzentrierte sich Wu darauf, die Bots weiter zu isolieren, damit sie kalten Temperaturen standhalten konnten. Seitdem hat keiner seiner Roboter wegen Kälte abgeschaltet.
Wu hofft, andere dazu zu inspirieren, ihre Lebenserfahrungen zu nutzen, um ihre Roboterdesigns zu beeinflussen. Indem man Probleme aus einem anderen Blickwinkel angeht, kann man auf Ideen kommen, an die die Leute vorher nicht gedacht haben und die sich als wirklich gut herausstellen könnten, sagt er. Nicht nur gut ausgebildete Ingenieure können Roboter bauen. Jeder kann Roboter bauen.