Il robot subacqueo è pioniere di un nuovo controllo dell’assetto ad alta efficienza energetica

Un robot sottomarino gestito a distanza, costruito da un team di studenti di ingegneria della Rice University, apre la strada a un nuovo modo di farlo controllare la galleggiabilità tramite celle a combustibile che dividono l’acqua. Il dispositivoprogettato e costruito presso il Cucina di progettazione ingegneristica Oshman nel corso di un corso di progettazione senior della durata di un anno, offre un metodo più efficiente dal punto di vista energetico per mantenere l’assetto neutro, un componente critico nelle operazioni subacquee.

Il robot funge da prova di concetto del potenziale dei dispositivi di controllo dell’assetto (BCD) basati su celle a combustibile per ridurre i costi operativi per i veicoli sottomarini autonomi o gestiti a distanza (AUV) con potenziali applicazioni che vanno dal monitoraggio ambientale e la ricerca oceanografica al settore militare e attività industriali, fornendo un’alternativa più silenziosa ed efficiente dal punto di vista energetico ai tradizionali AUV azionati da propulsori.

Noah Elzner (da sinistra), Dan Zislis, Ethan Peck, Spencer Darwall, Andrew Bare e Rafe Neathery. Illustrazione di Jeff Fitlow/Rice University

Team Bay-Max ⎯ Andrew Bare, Spencer Darwall, Noah Elzner, Rafe Neathery, Ethan Peck e Dan Zislis ⎯ ha basato il suo progetto su un documento accademico dai ricercatori della Rice e dell’Università di Houston che dimostrano che il controllo della profondità abilitato dalle celle a combustibile potrebbe ridurre il consumo energetico degli AUV fino all’85% rispetto ai tradizionali motore a corrente continuaprogetti di propulsori basati su propulsori. Fathi Ghorbelprofessore di ingegneria meccanica e bioingegneria alla Rice e sponsor del team, è un coautore dello studio.

“Il team studentesco del BayMax era entusiasta di implementare un’idea di ricerca innovativa basata sull’elettrolisi”, ha affermato Ghorbel. “L’idea prevede la trasformazione dell’acqua in gas di idrogeno e ossigeno per controllare la galleggiabilità degli AUV e imitare la vescica natatoria dei pesci. La ricerca fa parte di un programma di collaborazione tra il mio laboratorio, il laboratorio del Prof Laura Schaefer alla Rice e al Professore Zheng Chenpresso il laboratorio dell’Università di Houston.

“Questa ricerca collaborativa mira a sviluppare motori morbidi continui senza fili che utilizzano celle a combustibile con membrana a scambio protonico reversibile ed elettrolizzatori ad acqua per guidare la trasformazione volume-massa. Attraverso questo progetto di design, il team BayMax ha dimostrato l’efficacia di questa tecnologia nell’interazione AUV con il mondo fisico”.

Ghorbel ha affermato che questa tecnologia, che è altamente efficiente dal punto di vista energetico ed elimina il rumore di spinta, ha una vasta gamma di applicazioni come AUV, intelligenza materiale, dispositivi indossabili di assistenza, indumenti robotici adattivi e riprogrammabili e tessuti come macchine.

“La cosa interessante di questo per noi è che si tratta di una tecnologia davvero all’avanguardia, è qualcosa che non è mai stato fatto prima, esattamente nel modo in cui lo stiamo facendo noi”, ha detto Bare. “Siamo i primi a implementare questa tecnologia in un dispositivo con pitch roll e controlli estesi, quindi ne siamo davvero entusiasti.”

Rafe Neathery. Illustrazione di Jeff Fitlow/Rice University)

Neathery ha spiegato che “i tradizionali robot subacquei utilizzano propulsori o grandi pompe ed eliche per modificare e mantenere la profondità”.

“Ciò può essere problematico perché consumano molta energia e sono pesanti e hanno costi più elevati”, ha affermato.

I GAV incorporano celle a combustibile reversibili a idrogeno ⎯ che utilizzano l’elettricità per trasformare l’acqua in idrogeno e ossigeno e viceversa ⎯ con palloncini, consentendo al robot di regolare agevolmente la sua profondità con un consumo minimo di energia.

“Quando applichiamo tensione alle celle a combustibile, possiamo aumentare la galleggiabilità del nostro dispositivo facendo passare l’acqua distillata attraverso il substrato delle celle a combustibile e ionizzandola nei due gas”, ha affermato Zislis. “Quando vogliamo conservare o recuperare energia e diminuire la galleggiabilità del dispositivo, inviamo la tensione nella direzione opposta, il che inverte il processo.”

Poiché l’idrogeno e l’ossigeno sono naturalmente attratti dalla reazione e dalla formazione dell’acqua, l’elettrolisi inversa genera energia che il dispositivo può sfruttare. Il robot incorpora anche diversi sensori che raccolgono informazioni sui parametri vitali del sistema e, soprattutto, sulla posizione e l’orientamento del dispositivo sott’acqua. Queste informazioni vengono inviate a un dashboard che mostra le informazioni principali del sistema, grafici in tempo reale della posizione del robot, una simulazione del suo orientamento relativo e una vista dall’alto dello stato di attivazione dei GAV.

“Il cruscotto era la mia responsabilità principale”, ha detto Elzner. “Questa configurazione ci consente di monitorare tutto, dalla profondità del robot al suo orientamento in tempo reale.”

Il robot combina un algoritmo di stabilizzazione automatica, controllo della profondità e controllo manuale del veicolo.

“Abbiamo incorporato un vero joystick per videogiochi”, ha detto Darwall, aggiungendo che il progetto gli richiedeva di “approfondire la teoria del controllo e apprendere nuovi software”.

Andrea Bare. Illustrazione di Jeff Fitlow/Rice University

“Penso che, oltre ad avere un risultato davvero gratificante, sia stata una grande esperienza di apprendimento”, ha affermato.

Il progetto ha vinto il secondo posto nel Willy Revolution Award per l’eccezionale innovazione all’annuale Vetrina di progettazione ingegneristica di Huff OEDKche si è tenuto a lo Ione 11 aprile.

“Dopo averci dedicato un anno e aver dedicato così tanto tempo, vedere il risultato di tutto quel lavoro riunirsi è davvero gratificante”, ha detto Peck.

Il team si è unito grazie a un interesse condiviso per l’ingegneria dei veicoli o alla robotica e al desiderio di mettere in campo le proprie capacità facendo qualcosa al di fuori della propria zona di comfort.

“La maggior parte di noi si conosceva da corsi e/o club come Rice Eclipse, il club di missilistica dell’università”, ha detto Zislis. “Siamo stati ispirati a lavorare insieme su un progetto così ambizioso e sorprendente perché sapevamo che avremmo avuto una grande chimica di squadra, che ci avrebbe permesso di supportarci e sfidarci a vicenda.”

La gestione delle interdipendenze dei sistemi è stata una delle grandi sfide che il team ha dovuto affrontare.

“Con un progetto come questo, l’integrazione era fondamentale”, ha affermato Zislis. “Un altro aspetto per me è l’importanza di determinare un ambito chiaro per ogni determinato progetto. Con questo robot avremmo potuto concentrarci su molte cose diverse. Ad esempio, avremmo potuto lavorare sul miglioramento dell’efficienza delle celle a combustibile o sulla realizzazione di un braccio robotico. Abbiamo invece scelto di mantenere questi altri elementi semplici per non distogliere l’attenzione dalla parte principale, ovvero il dispositivo di controllo dell’assetto. Questo tipo di processo decisionale non è solo parte di una buona ingegneria, ma è rilevante per tutto nella vita”.

Fonte: Università del Riso