Le robot économe en eau en jupette

Photographies de Bob O'Connor

Le laboratoire de recherche en mécatronique du MIT abrite des bras robotiques, des robots de recyclage de téléphones portables, des scanners 3D et des poissons robots. Mais le laboratoire, situé au sous-sol du bâtiment 1, abrite également un cimetière - une boîte sur le bureau qui, jusqu'à récemment, était occupée par l'ingénieur en mécanique You Wu, SM '14, PhD '18.

La boîte, que Wu appelle le cimetière du passé, contient d'anciennes versions de son robot, Daisy, un robot en forme de volant de quatre pouces de long capable de naviguer dans les tuyaux pour détecter de petites fuites dans les réseaux d'eau. Les robots ont été enterrés après avoir échoué à fonctionner comme prévu, mais l'effort n'a pas été vain, car Wu a appris quelque chose de chacun. Les trois premiers se sont éteints lorsqu'ils étaient submergés parce que leurs corps en caoutchouc fuyaient. Les suivants n’ont pas assez bien détecté les fuites. Le succès est arrivé avec la 11ème itération du robot. La version actuelle est la 17e.

Ayant grandi à Changzhou, en Chine, Wu était bien conscient de l'importance de la conservation de l'eau. La population en plein essor de la ville a tellement sollicité ses réseaux d'électricité et d'eau que les autorités ont prévu des coupures délibérées pour rationner les ressources. L'entreprise qui emploie les parents de Wu, tous deux ingénieurs, a dû déplacer son week-end au dimanche et au lundi pour travailler autour d'eux. Ainsi, à son arrivée au MIT en 2012 après avoir étudié le génie mécanique à l'Université Purdue, où il s'est concentré sur des appareils portables tels qu'un gant tactile pour la réalité virtuelle et les jeux vidéo, Wu a rejoint le laboratoire de recherche en mécatronique du professeur Kamal Youcef-Toumi, SM '81, ScD '85, et a commencé à travailler sur le projet de détection de fuites du laboratoire. Dimitrios Chatzigeorgiou, PhD '15, avait développé un appareil pour identifier les fuites de gaz, et Wu a été chargé de l'adapter aux conduites d'eau.

Wu a été attiré par l'idée d'aider à résoudre un problème majeur : le réseau d'eau moyen perd environ un cinquième de son approvisionnement à cause des fuites. La Banque mondiale estime que chaque année, cela représente plus de 32 milliards de mètres cubes d'eau traitée qui fuient des systèmes d'approvisionnement en eau urbains du monde entier. Aux États-Unis, les services publics ont du mal à faire face à des infrastructures en ruine et à des canalisations vieillissantes. Dans une enquête menée en 2012 auprès des fournisseurs d'eau américains dans la région des Grands Lacs, 55 personnes interrogées ont estimé que les 100 000 kilomètres de conduites qu'elles géraient collectivement laissaient échapper 66,5 milliards de gallons d'eau par an, soit suffisamment pour fournir de l'eau potable à 1,9 million d'Américains pendant un an. Au-delà du gaspillage d'eau, de grosses fuites peuvent provoquer des inondations et des gouffres, qui non seulement menacent la sécurité publique, mais peuvent également entraîner des dommages aux infrastructures qui coûtent des millions de dollars à réparer.

La technologie actuelle de détection des fuites d'eau ne peut vous renseigner que sur les fuites qui atteignent une certaine taille - seulement les fuites une fois qu'elles sont importantes, dit Wu. Les appareils acoustiques qui écoutent les sons ou les vibrations associés à une fuite peuvent capter les changements de débit d'eau pouce par pouce à travers un tuyau, mais ils ne fonctionnent que lorsque les fuites sont suffisamment importantes pour que leurs vibrations se démarquent du bruit de fond (comme le bruit des voitures sur une route voisine). De telles fuites, dit Wu, coulent souvent à 10 gallons par minute, soit environ deux fois plus vite que le débit d'eau s'échappant d'une pomme de douche moyenne.

Ce n'est pas suffisant, dit Wu. Les fuites se développent de minuscules à grandes. Nous voulons les sentir avant qu'ils ne deviennent gros, afin que vous puissiez économiser l'eau et protéger les infrastructures.

You Wu, SM '14, PhD '18, s'est rendu compte qu'une jupe ferait un bon capteur après avoir marché dessus. Vous marchez sur la jupe de quelqu'un, et ils savent, dit-il.

Pour détecter les petites fuites, le laboratoire de recherche en mécatronique s'est concentré sur la livraison de robots dans les tuyaux, pour détecter les fuites de l'intérieur. Lorsque Wu est arrivé, le laboratoire travaillait sur un robot automoteur avec un tambour de détection qui a prouvé qu'il était possible de détecter des fuites de gaz à l'échelle millimétrique. Mais lorsque Wu a testé sa capacité à détecter les fuites d'eau, il a constaté que la turbulence de l'eau l'empêchait de faire la distinction entre les fuites et les autres bruits ambiants. Ainsi, lorsqu'il est devenu chef de projet en 2015, il a commencé à réfléchir à d'autres façons d'aborder la détection des fuites.

Alors qu'il organisait une fête d'été en 2016, Wu a accidentellement marché sur la jupe de la robe longue de sa petite amie. Il lui vint soudain à l'esprit qu'il serait presque impossible de marcher ou de tirer sur une jupe sans que la personne qui la portait s'en rende compte. Vous marchez sur la jupe de quelqu'un, et il connaître , il dit. ça aha ! moment lui a donné l'idée de remplacer le tambour de détection de fuite du robot par une jupe de détection. Avec ce concept comme point de départ, il a puisé dans son expertise en robotique douce et a complètement repensé le robot.

Le résultat a été Daisy, le détecteur de fuite coloré, spongieux et en jupe. Fabriqué avec des caoutchoucs et des plastiques imprimés en 3D et moulés à la main, chaque robot Daisy est assemblé à la main en laboratoire. Le petit robot a une tête jaune dure, un corps flexible semi-transparent contenant de l'électronique et une jupe remplie de capteurs bleu vif. Chaque pièce joue un rôle important, mais c'est la jupe qui fait le travail le plus dur : détecter les fuites.

Inséré dans les réseaux d'eau aux jonctions accessibles, comme les bouches d'incendie, Daisy est conçu pour inspecter les tuyaux sans interrompre le service. Au fur et à mesure que l'eau s'écoule, le bot est entraîné, faisant glisser sa jupe le long de la surface intérieure du tuyau. S'il y a une fuite, la pression d'aspiration qui l'accompagne tire sur la jupe, dont les capteurs enregistrent la force, localisant l'emplacement de la fuite à moins d'un pied. Il détecte également la forme de la fuite et son débit, même s'il est aussi lent qu'un gallon par minute. Une fois que Daisy a parcouru une grille, toutes les données qu'elle collecte peuvent être téléchargées sur un ordinateur portable et visualisées sous forme de carte. La possibilité de générer une carte à jour des canalisations du réseau est en soi utile, car les modifications liées à la construction ne sont souvent pas cartographiées. Et lorsque Daisy trouve des fuites, le fait de pouvoir les repérer alors qu'elles sont petites permet de les réparer avec un minimum de perturbations, limitant les coûts de réparation ainsi que la perte d'eau.

Les fuites se développent de minuscules à grandes. Nous voulons les sentir avant qu'ils ne deviennent gros, afin que vous puissiez économiser l'eau et protéger les infrastructures.

En août 2017, Wu a fondé une startup pour commercialiser Daisy comme outil de recherche de fuites pour les conduites d'eau. En juin 2018, il a dissous cette société (dont le nom, Pipeguard Robotics, était également utilisé par une entreprise d'isolation de tuyaux) et a incorporé WatchTower Robotics pour continuer à développer Daisy, qu'il commercialise désormais sous le nom de Lighthouse. Depuis l'obtention de son diplôme en juin, il a travaillé à temps plein dans l'entreprise ; il a passé l'été à Denver au Techstars Technology Accelerator. Maintenant bien versé dans l'explication de la technologie de Daisy et de son impact potentiel, il a remporté de nombreux concours de durabilité et prix de design, notamment le MIT Water Innovation Prize, le Boston HUBWeek Demo Day Pitch Grand Prize, le US James Dyson Award 2018 et le Future Innovator of le prix de l'année au Sommet sur l'impact de l'Environmental Media Association 2018 à Los Angeles. Il a également été choisi comme MIT Solve Fellow et a été nommé comme l'un des Forbes du magazine 30 Under 30 in Manufacturing and Industry pour 2018. (Je ne pensais pas pouvoir y arriver, dit-il à propos du Forbes liste.)

Alors que la 11e version de Daisy fonctionnait, Wu est toujours en train de peaufiner le design. Pour chaque itération, il soude ensemble l'électronique interne du robot, prépare des moules en caoutchouc et code les micropuces qui transfèrent les données du robot à l'écran de l'ordinateur. Pour ses premières conceptions, il a versé du caoutchouc bleu dans le moule de la jupe de Daisy et a intégré diverses configurations de morceaux de caoutchouc noir conducteur dans la jupe avant que le caoutchouc bleu ne durcisse. Ces morceaux de caoutchouc noir servent de capteurs : lorsqu'un changement de débit d'eau les étire ou les comprime, leur résistance change et Daisy enregistre le changement du courant électrique qui les traverse.

Puis il a eu l'idée de coudre ses capteurs sur du tissu selon un motif spécifique, puis de plonger ce tissu dans le caoutchouc bleu liquide, en les durcissant ensemble dans le moule à jupe. Une fois solidifié, le caoutchouc envelopperait le tissu et le matériau de détection, rendant la jupe de détection résultante imperméable, flexible et résistante à la déchirure. Ce brainstorming - qui a conduit à la version numéro 14 de Daisy - a envoyé Wu sur YouTube pour apprendre à utiliser une machine à coudre. L'incorporation de tissu dans la jupe chargée de capteurs la fait se déplacer uniquement dans certaines directions en réponse à des types de fuites spécifiques, permettant à Daisy de fournir des informations plus précises sur les fuites qu'elle rencontre. D'autres ajustements ont amélioré l'interface utilisateur du bot, facilitant ainsi la lecture et l'interprétation des données de détection par les utilisateurs. Et dans le processus de mise à l'échelle de Daisy dans le produit Lighthouse commercial, Wu a développé une gamme de tailles de 2 à 16 pouces pour s'adapter à différents diamètres de tuyaux.

Mark Gwynne, directeur informatique de Severn Trent Water, une société d'eau basée au Royaume-Uni, a aidé à coordonner les tests sur le terrain du robot de Wu au Royaume-Uni en janvier 2018. Nous pouvons certainement voir une place pour lui en termes de faire partie de la boîte à outils pour tous nos ingénieurs de l'eau, dit Gwynne. La technologie est totalement révolutionnaire.

Mais quand les choses ne vont pas bien dans un test, c'est aussi une information utile. Lors d'essais sur le terrain en Virginie en janvier dernier, Wu a remarqué que son robot arrêtait de collecter des données environ six minutes après le début de son voyage dans la conduite d'eau. Il soupçonnait que les eaux presque glaciales avaient éteint l'électronique du robot, mais sur le terrain, il n'a pas pu déterminer si son intuition était correcte. Alors ce soir-là, Wu dominait la baignoire de son hôtel, qu'il remplissait de glace, d'eau et de ses robots. Six minutes plus tard, il a vu les robots s'éteindre et a confirmé le coupable. De retour au laboratoire, Wu s'est concentré sur l'isolation supplémentaire des robots afin qu'ils puissent résister aux températures froides. Depuis, aucun de ses robots ne s'est éteint à cause du froid.

Wu espère inspirer les autres à utiliser leurs expériences de vie pour éclairer leurs conceptions de robots. En abordant les problèmes sous un angle différent, vous pouvez proposer des idées auxquelles les gens n'avaient pas pensé auparavant et qui pourraient très bien fonctionner, dit-il. Les ingénieurs bien formés ne sont pas les seuls à pouvoir fabriquer des robots. Tout le monde peut fabriquer des robots.

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