Um robô subaquático operado remotamente, construído por uma equipe de estudantes de engenharia da Rice University, é pioneiro em uma novidade maneira de controlar a flutuabilidade por meio de células de combustível que separam a chuva. O dispositivo, projetado e construído na Oshman Engineering Design Kitchen ao longo de um curso de design sênior com duração de um ano, oferece um método mais eficiente em termos de força para manter a flutuabilidade neutra – um componente crítico em operações subaquáticas.
O robô serve uma vez que prova de noção do potencial dos dispositivos de controle de flutuabilidade (BCDs) baseados em células de combustível para reduzir os custos operacionais de veículos subaquáticos autônomos ou operados remotamente (AUVs) com aplicações potenciais que vão desde monitoramento ambiental e pesquisa oceanográfica até militares e tarefas industriais, fornecendo uma selecção mais silenciosa e mais eficiente em termos energéticos aos AUVs convencionais movidos por propulsores.
A equipe Bay-Max – Andrew Bare, Spencer Darwall, Noah Elzner, Rafe Neathery, Ethan Peck e Dan Zislis – baseou seu projeto em um cláusula acadêmico de pesquisadores da Rice e da Universidade de Houston mostrando que o controle de profundidade habilitado por células de combustível poderia reduzir AUVs ‘consumo de força em até 85% em verificação com projetos tradicionais de propulsores baseados em motores DC. Fathi Ghorbel, professor de engenharia mecânica e bioengenharia da Rice e patrocinador da equipe, é coautor do estudo.
“A equipe de estudantes do BayMax ficou entusiasmada em implementar uma teoria inovadora de pesquisa baseada na eletrólise”, disse Ghorbel. “A teoria envolve a transformação da chuva em gases hidrogênio e oxigênio para controlar a flutuabilidade dos AUVs e imitar as bexigas natatórias dos peixes. A pesquisa faz segmento de um programa colaborativo entre meu laboratório, o laboratório da professora Laura Schaefer em Rice e o laboratório do professor Zheng Chen na Universidade de Houston.
“Esta pesquisa colaborativa visa desenvolver motores macios contínuos sem amarras que utilizam células de combustível de membrana de troca de prótons reversíveis e eletrolisadores de chuva para impulsionar a transformação de volume-massa. Através deste projeto de design, a equipe BayMax comprovou a eficiência desta tecnologia na interação do AUV com o mundo físico.”
Ghorbel disse que esta tecnologia, que é altamente eficiente em termos energéticos e elimina ruídos de impulso, tem uma ampla gama de aplicações, uma vez que AUVs, lucidez de materiais, dispositivos assistivos vestíveis, roupas robóticas adaptativas e reprogramáveis e tecidos uma vez que máquinas.
“O permitido disso para nós é que é uma tecnologia realmente de ponta, é alguma coisa que nunca foi feito antes, exatamente da maneira que estamos fazendo”, disse Bare. “Somos os primeiros a implementar esta tecnologia em um dispositivo com pitch roll e controles abrangentes, por isso estamos muito entusiasmados com isso.”
Neathery explicou que “os robôs subaquáticos tradicionais usam propulsores ou grandes bombas e hélices para modificar e manter sua profundidade”.
“Isso pode ser problemático porque estes têm tá consumo de força e são pesados e de dispêndio mais ressaltado”, disse ele.
Os BCDs incorporam células de combustível de hidrogênio reversíveis – que usam eletricidade para transformar chuva em hidrogênio e oxigênio e vice-versa – com balões, permitindo que o robô ajuste suavemente sua profundidade com uso mínimo de força.
“Quando aplicamos tensão às células de combustível, podemos aumentar a flutuabilidade do nosso dispositivo fazendo com que a chuva destilada atravesse o substrato da célula de combustível e seja ionizada nos dois gases”, disse Zislis. “Quando queremos guardar ou restabelecer força e diminuir a flutuabilidade do aparelho, enviamos a tensão na direção oposta, o que inverte o processo.”
Uma vez que o hidrogênio e o oxigênio são naturalmente atraídos para reagir e formar chuva, a eletrólise reversa gera força que o dispositivo pode aproveitar. O robô também incorpora vários sensores diferentes que coletam informações sobre os sinais vitais do sistema e, mais importante, sobre a posição e orientação do dispositivo debaixo d’chuva. Essas informações são alimentadas em um pintura que exibe informações básicas do sistema, gráficos em tempo real da localização do robô, uma simulação de sua orientação relativa e uma visão de cima para plebeu do estado de ativação dos BCDs.
“O pintura era minha principal responsabilidade”, disse Elzner. “Essa forma nos permite monitorar tudo, desde a profundidade do robô até sua orientação em tempo real.”
O robô combina um algoritmo de estabilização automática e controle de profundidade com controle manual do veículo.
“Incorporamos um joystick de videogame real”, disse Darwall, acrescentando que o projeto exigia que ele “mergulhasse profundamente na teoria de controle e aprendesse novos softwares”.
“Acho que além de ter um resultado muito gratificante, foi um ótimo tirocínio”, disse ele.
O projeto ganhou o segundo lugar no Prêmio Willy Revolution de Inovação Extraordinária no Huff OEDK Engineering Design Showcase anual, realizado no Ion em 11 de abril.
“Tendo pretérito um ano nisso e investido tanto tempo nisso, ver o resultado de todo esse trabalho é realmente gratificante”, disse Peck.
A equipe se uniu em torno de um interesse geral em engenharia de veículos ou robótica e no libido de desenvolver suas habilidades fazendo alguma coisa fora de sua zona de conforto.
“A maioria de nós se conhecia de aulas e/ou clubes uma vez que o Rice Eclipse, o clube de foguetes da universidade”, disse Zislis. “Fomos inspirados a trabalhar juntos em um projeto tão cobiçoso e incrível porque sabíamos que teríamos uma ótima química de equipe, o que nos permitiria estribar e desafiar uns aos outros.”
Gerenciar interdependências de sistemas foi um dos grandes desafios que a equipe enfrentou.
“Com um projeto uma vez que nascente, a integração foi sátira”, disse Zislis. “Outra peroração para mim é a prestígio de prescrever um escopo simples para qualquer projeto. Com nascente robô, poderíamos ter nos concentrado em muitas coisas diferentes. Por exemplo, poderíamos ter trabalhado na melhoria da eficiência da célula de combustível ou na fabricação de um braço robótico. Em vez disso, optamos por manter esses outros elementos simples para não desviar o foco da segmento principal, que é o dispositivo de controle de flutuabilidade. Nascente tipo de processo de tomada de decisão não faz somente segmento de uma boa engenharia, mas é relevante para tudo na vida.”
A equipe foi orientada por Ghorbel, David Trevas, professor de engenharia mecânica da Rice, e Gary Woods, professor de prática em engenharia elétrica e de computação.
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LEGENDA: Noah Elzner (da esquerda), Dan Zislis, Ethan Peck, Spencer Darwall, Andrew Bare e Rafe Neathery. (Foto de Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2024/04/240409_BA_Fitlow_024-9df380227d2165db.jpg
LEGENDA: Andrew Bare (Foto de Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2024/04/240409_BA_Fitlow_006-8d20c0554d33a2f2.jpg
LEGENDA: Rafe Neathery (Foto de Jeff Fitlow/Rice University)