Solucionadores de problemas por diseño

El RoboBee sin ataduras

Los cambios en el Robobee, incluido un par adicional de alas y mejoras en los actuadores y la relación de transmisión, hicieron que el vehículo fuera más eficiente y permitieron agregar celdas solares y un panel electrónico. Este Robobee es el primero en volar sin cable de alimentación y es el vehículo sin ataduras más liviano para lograr un vuelo sostenido. (Imagen cortesía de Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS)

Las ratas en el campus, la contaminación acústica disruptiva y la costosa investigación en aguas profundas parecen no tener nada en común, excepto que todos podrían resolverse utilizando un enfoque de diseño de ingeniería.

Los estudiantes del curso Proyecto de Diseño y Resolución de Problemas de Ingeniería (ES 96) de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard hicieron exactamente eso, aplicando sus conocimientos de ingeniería, en colaboración con clientes del mundo real, para llegar a soluciones prácticas. .

El curso requiere que los estudiantes analicen un desafío como un sistema amplio e identifiquen los componentes sociales, económicos, éticos, técnicos y sostenibles; examinar la retroalimentación de los sistemas y hacer cumplir los bucles para determinar las causas fundamentales de los problemas; e investigar y diseñar diferentes soluciones que satisfagan los límites que rodean el desafío, explicó Fawwaz Habbal, Decano Ejecutivo de Educación e Investigación, quien impartió el curso junto con Kelly Miller, Preceptora Principal en Física Aplicada, Nabil Harfoush, Profesor Asociado Visitante en Ingeniería Ciencias, y Peter Stark, Profesor de Ciencias de la Ingeniería.

"Con una experiencia tan única y completa, los estudiantes estarán más preparados para participar en los desafíos futuros y ejercitar su liderazgo para abordar y posiblemente resolver problemas humanos importantes", dijo Habbal. "Este año, los estudiantes hicieron un trabajo increíble al encontrar las causas fundamentales de tres desafíos diferentes y juntos encontraron soluciones emocionantes. Los clientes estaban entusiasmados con las soluciones e implementarán algunas de ellas. Fue una experiencia emocionante para los estudiantes, gratificante para los clientes, y gratificante para los instructores que observaron el crecimiento y la madurez de los estudiantes".

Desafío de contaminación acústica

El muelle de carga de los Servicios de Comedores de la Universidad de Harvard (HUDS) es un lugar concurrido, con un flujo constante de camiones que entran y salen para dejar o recoger alimentos que se utilizan para servir 25,000 comidas cada día. Con tanta actividad, gran parte de la cual ocurre en las primeras horas de la mañana, los estudiantes que viven en casas adyacentes al muelle de carga (Eliot, Kirkland, Winthrop y Lowell) han expresado su preocupación por el ruido que interrumpe sus estudios y su sueño. Una sección de ES 96 trabajó con HUDS, identificando formas de reducir el ruido sin afectar negativamente las operaciones.

Después de estudiar el tráfico en el muelle de carga y los niveles de ruido, los estudiantes propusieron varias soluciones a corto y largo plazo. A largo plazo, propusieron cambiar los diseños de la casa de Eliot y Kirkland, junto con el proyecto de renovación de la casa, para que menos ventanas de los dormitorios den al muelle de carga. También propusieron mantener las contraventanas en su lugar, incluso después de instalar ventanas de doble panel. Los estudiantes descubrieron que mantener un espacio de cinco pulgadas entre la contraventana y las ventanas de doble panel reducía el ruido en casi un 60 por ciento, por un costo adicional de $200 por contraventana.

A corto plazo, los estudiantes sugirieron recubrir las aletas de las cajas de los camiones para reducir el ruido cuando golpean contra la plataforma del muelle de carga. Al agregar un revestimiento de gomaespuma al extremo de un flap y verter silicona en la plataforma para proporcionar un espacio de aterrizaje suave, los estudiantes pudieron reducir los niveles de ruido de 100 a 86 decibelios. También desarrollaron una caja resistente a la intemperie, que contenía espuma acústica y paneles de sonido densos, para colocar sobre la alarma de marcha atrás de un camión, que redujo los niveles de ruido de 102 a 88 decibelios.

"Los mayores desafíos que enfrentamos fueron aprender a trabajar de manera eficiente y efectiva durante el transcurso del proyecto", dijo Jessica Klusty, SB '20, una concentradora de bioingeniería. Éramos un grupo de 11 personas que trabajábamos juntas hacia un objetivo común, pero había subgrupos fluctuantes que cambiaban semana a semana. Esto presentó problemas de coordinación y comunicación al principio, pero creo que nos hizo más fuertes a largo plazo. La parte más gratificante de este proyecto fue ver que, al final, realmente ayudamos a nuestro cliente y los cambios que sugerimos entraron en vigor de inmediato".

Conteniendo el problema de las plagas en Harvard

La oficina de Salud y Seguridad Ambiental de Harvard recibe cientos de informes cada semana sobre plagas en el campus, en su mayoría ratas y ratones que los estudiantes detectan hurgando en los botes de basura o deslizándose por los edificios en busca de comida. Los problemas sanitarios y de reputación que plantean las ratas en el campus son una preocupación seria, pero las acciones actuales, que incluyen rocas artificiales que contienen veneno, videovigilancia y botes de basura a prueba de plagas, no siguen el ritmo del problema. Una sección de ES 96 se propuso mejorar la eficacia de las medidas de control de plagas y disminuir el acceso de plagas a las fuentes de alimentos en Harvard.

Los estudiantes estudiaron una serie de soluciones e incluso (brevemente) consideraron introducir animales depredadores en el campus, antes de optar por diseñar una trampa para ratas más robusta y mejorar la base de datos de informes de plagas de Harvard. Los estudiantes desarrollaron una trampa que se coloca debajo de la tapa de un bote de basura; un tubo a través de la tapa de la lata ofrece a las ratas una entrada unidireccional a la trampa. Una vez dentro de la caja sellada, una trampa para ratas T-Rex mata a la rata. Un mecanismo magnético que desarrollaron los estudiantes permite que un trabajador abra la caja, vacíe la desafortunada rata en el bote de basura, luego cierre la caja y reinicie la trampa con solo presionar un botón.

Los estudiantes también adoptaron un enfoque del problema basado en datos mediante el desarrollo de una aplicación web para consolidar los informes de plagas que EHS recibe diariamente o semanalmente. Las personas usan la aplicación para informar avistamientos de plagas, que se completan automáticamente en una base de datos y en un mapa que muestra los puntos críticos de plagas en todo el campus. Además de tomar datos de informes humanos, la aplicación también está diseñada para recibir información del dispositivo de detección de plagas que desarrollaron los estudiantes. El dispositivo usa un sensor de infrarrojos para detectar ratas que pasan cerca, luego usa datos de GPS para registrar automáticamente la ubicación en la base de datos y el mapa de la aplicación, lo que agiliza el proceso de notificación de plagas.

"Cuando me enfrento a un problema difícil, mi instinto suele ser saltar directamente a descubrir cómo resolverlo, pero una cosa que esta clase hizo bien fue obligarme a no hacerlo. Pasamos las primeras semanas del semestre definiendo el problema. , en lugar de resolverlo", dijo Charlie Colt-Simonds, SB '20, un concentrador de ingeniería eléctrica. "Al principio, este proceso fue increíblemente frustrante, pero pronto me di cuenta de que había mucho que aprender sobre el problema en sí mismo antes de que pudiéramos siquiera empezar a pensar en soluciones. Me enseñó a tomarme mi tiempo cuando abordaba un problema por primera vez, para asegurarme Lo entiendo completamente antes de saltar a las soluciones".

Un recipiente a presión económico y de diseño inteligente

El laboratorio de Peter Girguis, profesor de biología orgánica y evolutiva, estudia la biogeoquímica de las profundidades del mar, a menudo tomando medidas hasta 4000 pies por debajo de la superficie del océano. Dado que el equipo de monitoreo sensible del laboratorio no puede sobrevivir en condiciones tan duras, utilizan recipientes a presión de titanio para mantener el equipo seguro y seco, pero estos dispositivos pueden costar hasta $ 40,000 cada uno, y se requiere un recipiente personalizado para cada sensor nuevo que envía el equipo. a las profundidades del océano. Una sección de ES 96 buscaba permitir a los investigadores obtener datos de manera más económica.

Los estudiantes determinaron que los recipientes a presión actuales son tan caros, en parte, debido al trabajo de fresado personalizado que implica el proceso de producción. Descubrieron que el uso de tubos de titanio prefabricados, en lugar de fresar un vaso a partir de un bloque sólido de titanio, podría reducir los costos de producción a la mitad, pero conduciría a una reducción de la durabilidad y la estabilidad. Pudieron superar este problema agregando una serie de anillos de refuerzo de titanio al tubo, engrosando efectivamente las paredes del recipiente mientras ahorraban dinero en producción y reducían el tiempo de fabricación.

Los estudiantes también desarrollaron un sistema basado en la web para agilizar el diseño de recipientes a presión. Un usuario simplemente ingresa las especificaciones deseadas (tamaño del recipiente, profundidad objetivo, etc.) y la aplicación busca en los datos de todas las piezas disponibles de tubos de titanio que se ajustan a esas especificaciones, compilando un informe que enumera los proveedores y precios relevantes. El software va un paso más allá al ejecutar algoritmos de validación de tensión en el diseño del recipiente a presión, determinando automáticamente cuántos anillos de refuerzo se deben agregar para garantizar que el tubo pueda soportar la presión a la profundidad deseada. Luego, el sistema crea dibujos de ingeniería, una descripción del proceso de producción y un manual de usuario, que se puede enviar directamente a la empresa de fabricación.

"La lección más importante que aprendí de este proyecto fue lo importante que es el equipo de uno. Trabajar con personas con una variedad de habilidades y perspectivas, pero con el mismo impulso y deseo de unirnos y crear algo que valga la pena, marcó la diferencia para mí. y determinó el éxito de nuestro proyecto", dijo Rainy Michelsen, SB '20, un concentrador de ingeniería mecánica. "La satisfacción que surge de trabajar dentro de un gran equipo, y el desafío y la oportunidad que surgieron al conectar campos de pensamiento aparentemente separados, y la innovación que surgió de ello, fueron los aspectos más gratificantes del proyecto".

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