Problemlöser durch Design

Der ungebundene RoboBee

Änderungen am Robobee – einschließlich eines zusätzlichen Flügelpaars und Verbesserungen der Aktuatoren und des Übersetzungsverhältnisses – machten das Fahrzeug effizienter und ermöglichten den Einbau von Solarzellen und einem Elektronikpanel. Dieser Robobee ist der erste, der ohne Netzkabel fliegt und das leichteste, ungebundene Fahrzeug, das einen Dauerflug ermöglicht. (Bild mit freundlicher Genehmigung des Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS)

Ratten auf dem Campus, störende Lärmbelästigung und kostspielige Tiefseeforschung scheinen nichts gemeinsam zu haben – außer dass sie alle mit einem ingenieurtechnischen Designansatz gelöst werden könnten.

Studenten des Kurses „Engineering Problem Solving and Design Project“ (ES 96) der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences haben genau das getan, indem sie ihr technisches Know-how in Zusammenarbeit mit realen Kunden eingesetzt haben, um umsetzbare Lösungen zu entwickeln .

Der Kurs verlangt von den Studierenden, eine Herausforderung als umfassendes System zu analysieren und soziale, wirtschaftliche, ethische, technische und nachhaltige Komponenten zu identifizieren; Untersuchen Sie Systemrückmeldungen und Durchsetzungsschleifen, um die Grundursachen der Probleme zu ermitteln. und verschiedene Lösungen zu untersuchen und zu entwerfen, die den Grenzen der Herausforderung gerecht werden, erklärte Fawwaz Habbal, Executive Dean for Education and Research, der den Kurs gemeinsam mit Kelly Miller, Senior Preceptor in Applied Physics, und Nabil Harfoush, Visiting Associate Professor in Engineering, unterrichtete Naturwissenschaften, und Peter Stark, Dozent für Ingenieurwissenschaften.

„Mit solch einer einzigartigen und umfassenden Erfahrung sind die Studierenden besser darauf vorbereitet, sich künftigen Herausforderungen zu stellen und ihre Führungsqualitäten auszuüben, um wichtige menschliche Probleme anzugehen und möglicherweise zu lösen“, sagte Habbal. „In diesem Jahr haben die Studenten großartige Arbeit geleistet, um die Ursachen für drei verschiedene Herausforderungen zu finden, und gemeinsam spannende Lösungen gefunden. Die Kunden waren von den Lösungen begeistert und werden einige davon umsetzen. Es war eine aufregende Erfahrung für die Studenten, die sich für sie lohnte.“ Kunden und lohnend für die Dozenten, die das Wachstum und die Reife der Studenten beobachtet haben.“

Herausforderung der Lärmbelästigung

Die Laderampe der Harvard University Dining Services (HUDS) ist ein geschäftiger Ort, an dem ein stetiger Strom von Lastwagen ein- und ausfährt, um Lebensmittel abzugeben oder abzuholen, die für die Ausgabe von 25.000 Mahlzeiten pro Tag verwendet werden. Angesichts der hohen Aktivität, die größtenteils in den frühen Morgenstunden stattfindet, haben Studenten, die in Häusern neben der Laderampe wohnen – Eliot, Kirkland, Winthrop und Lowell – Bedenken hinsichtlich des Lärms geäußert, der ihr Lernen und ihren Schlaf stört. Ein ES 96-Abschnitt arbeitete mit HUDS und suchte nach Möglichkeiten, den Lärm zu reduzieren, ohne den Betrieb negativ zu beeinflussen.

Nachdem sie den Verkehrs- und Lärmpegel an der Laderampe untersucht hatten, entwickelten die Studenten mehrere kurz- und langfristige Lösungen. Langfristig schlugen sie im Zusammenhang mit dem Hauserneuerungsprojekt eine Änderung der Grundrisse des Eliot- und Kirkland-Hauses vor, sodass weniger Schlafzimmerfenster zur Laderampe zeigen. Sie schlugen außerdem vor, die Sturmfenster auch nach dem Einbau von Doppelverglasungsfenstern an Ort und Stelle zu belassen. Die Studenten fanden heraus, dass die Aufrechterhaltung eines 5-Zoll-Abstands zwischen dem Sturmfenster und den Doppelglasfenstern den Lärm um fast 60 Prozent reduzierte, was zusätzliche Kosten von 200 US-Dollar pro Sturmfenster verursachte.

Kurzfristig schlugen die Studenten vor, die Klappen von LKW-Ladeflächen zu beschichten, um den Lärm zu reduzieren, wenn sie gegen das Deck der Laderampe schlagen. Durch das Anbringen einer Schaumgummibeschichtung am Ende einer Klappe und das Gießen von Silikon auf das Deck, um einen weichen Landeplatz zu schaffen, konnten die Schüler den Geräuschpegel von 100 auf 86 Dezibel senken. Sie entwickelten außerdem eine wetterfeste Box mit Akustikschaum und dichten Schallpaneelen, die über der Rückfahrwarnanlage eines Lastwagens angebracht werden konnte und den Geräuschpegel von 102 auf 88 Dezibel reduzierte.

„Die größten Herausforderungen für uns bestanden darin, im Laufe des Projekts zu lernen, wie man effizient und effektiv arbeitet“, sagte Jessica Klusty, SB '20, eine Bioingenieurin. Wir waren eine Gruppe von 11 Leuten, die zusammen an einem gemeinsamen Ziel arbeiteten, aber es gab schwankende Untergruppen, die sich von Woche zu Woche änderten. Das bereitete uns anfangs Koordinations- und Kommunikationsprobleme, aber ich glaube, dass es uns auf lange Sicht stärker gemacht hat. Das Schönste an diesem Projekt war, dass wir am Ende tatsächlich unserem Kunden geholfen haben und die von uns vorgeschlagenen Änderungen sofort in Kraft traten.“

Eindämmung des Schädlingsproblems in Harvard

Das Harvard-Büro für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit erhält jede Woche Hunderte von Berichten über Schädlinge auf dem Campus, hauptsächlich Ratten und Mäuse, die Studenten entdecken, wenn sie in Mülleimern stöbern oder auf der Suche nach Nahrung durch Gebäude huschen. Die gesundheitlichen und rufschädigenden Auswirkungen von Ratten auf dem Campus geben Anlass zu ernster Sorge, aber die aktuellen Maßnahmen, darunter künstliche Steine, die Gift enthalten, Videoüberwachung und der Schutz von Mülltonnen vor Schädlingen, können mit der Geschwindigkeit des Problems nicht Schritt halten. Ein ES 96-Abschnitt zielte darauf ab, die Wirksamkeit von Schädlingsbekämpfungsmaßnahmen zu verbessern und den Zugang von Schädlingen zu Nahrungsquellen in Harvard zu verringern.

Die Studenten untersuchten eine Reihe von Lösungen und erwogen sogar (kurzzeitig) die Einführung von Raubtieren auf dem Campus, bevor sie sich für die Entwicklung einer robusteren Rattenfalle und die Verbesserung der Schädlingsberichtsdatenbank der Harvard University entschieden. Die Schüler entwickelten eine Falle, die unter dem Deckel eines Mülleimers sitzt; Ein Rohr durch den Dosendeckel bietet Ratten einen einfachen Zugang zur Falle. Sobald sie sich in der versiegelten Box befindet, tötet eine T-Rex-Rattenfalle die Ratte. Ein von den Studenten entwickelter Magnetmechanismus ermöglicht es einem Arbeiter, die Kiste zu öffnen, die unglückliche Ratte in den Mülleimer zu entleeren, dann die Kiste zu schließen und die Falle mit einem Knopfdruck zurückzusetzen.

Die Studenten gingen das Problem auch datengesteuert an, indem sie eine Web-App entwickelten, um Schädlingsberichte zu konsolidieren, die EHS täglich oder wöchentlich erhält. Einzelpersonen nutzen die App, um Schädlingssichtungen zu melden, die automatisch in eine Datenbank und auf eine Karte eingetragen werden, die Schädlingsherde rund um den Campus zeigt. Die App erfasst nicht nur Daten aus menschlichen Berichten, sondern ist auch darauf ausgelegt, Informationen von dem von den Studierenden entwickelten Schädlingserkennungsgerät zu empfangen. Das Gerät nutzt einen Infrarotsensor, um Ratten zu erkennen, die in der Nähe vorbeikommen, und nutzt dann GPS-Daten, um den Standort automatisch in der Datenbank und Karte der App zu protokollieren, wodurch der Schädlingsmeldeprozess optimiert wird.

„Wenn ich mit einem schwierigen Problem konfrontiert werde, versuche ich instinktiv sofort herauszufinden, wie ich es lösen kann, aber eine Sache, die dieser Kurs gut gemacht hat, war, mich dazu zu zwingen, das nicht zu tun. Wir haben die ersten paar Wochen des Semesters damit verbracht, das Problem zu definieren.“ , anstatt es zu lösen“, sagte Charlie Colt-Simonds, SB '20, ein Konzentrator für Elektrotechnik. „Zuerst war dieser Prozess unglaublich frustrierend, aber mir wurde bald klar, dass es viel über das Problem selbst zu lernen gab, bevor wir überhaupt anfangen konnten, über Lösungen nachzudenken. Dadurch habe ich gelernt, mir beim ersten Herangehen an ein Problem Zeit zu nehmen, um sicherzugehen Ich verstehe es vollständig, bevor ich zu Lösungen übergehe.

Ein intelligent gestalteter, kostengünstiger Druckbehälter

Das Labor von Peter Girguis, Professor für Organismische und Evolutionsbiologie, untersucht die Biogeochemie der Tiefsee und führt häufig Messungen bis zu 4.000 Fuß unter der Meeresoberfläche durch. Da die empfindliche Überwachungsausrüstung des Labors solch rauen Bedingungen nicht standhalten kann, werden Druckbehälter aus Titan verwendet, um die Ausrüstung sicher und trocken zu halten. Diese Geräte können jedoch jeweils bis zu 40.000 US-Dollar kosten, und für jeden neuen Sensor, den das Team sendet, ist ein maßgeschneiderter Behälter erforderlich bis in die Tiefen des Ozeans. Ein ES 96-Abschnitt zielte darauf ab, Forschern eine wirtschaftlichere Datenbeschaffung zu ermöglichen.

Die Studierenden stellten fest, dass die heutigen Druckbehälter unter anderem aufgrund der kundenspezifischen Fräsarbeiten im Produktionsprozess so teuer sind. Sie fanden heraus, dass die Verwendung vorgefertigter Titanrohre anstelle des Fräsens eines Gefäßes aus einem massiven Titanblock die Produktionskosten halbieren könnte, jedoch zu einer Verringerung der Haltbarkeit und Stabilität führen würde. Sie konnten dieses Problem lösen, indem sie dem Rohr eine Reihe von Titan-Versteifungsringen hinzufügten, wodurch die Wände des Gefäßes effektiv verdickt wurden und gleichzeitig Produktionskosten gespart und die Herstellungszeit verkürzt wurden.

Die Studenten entwickelten außerdem ein webbasiertes System, um die Konstruktion von Druckbehältern zu optimieren. Ein Benutzer gibt einfach die gewünschten Spezifikationen ein – Schiffsgröße, Zieltiefe usw. – und die Anwendung durchsucht Daten zu allen verfügbaren Titanrohrstücken, die diesen Spezifikationen entsprechen, und erstellt einen Bericht, der relevante Lieferanten und Preise auflistet. Die Software geht noch einen Schritt weiter, indem sie Spannungsvalidierungsalgorithmen für die Konstruktion des Druckbehälters ausführt und automatisch bestimmt, wie viele Versteifungsringe hinzugefügt werden müssen, um sicherzustellen, dass das Rohr dem Druck in der gewünschten Tiefe standhält. Anschließend erstellt das System technische Zeichnungen, eine Beschreibung des Produktionsprozesses und ein Benutzerhandbuch, die direkt an das Fertigungsunternehmen gesendet werden können.

„Die wichtigste Lektion, die ich aus diesem Projekt gelernt habe, war, wie wichtig das eigene Team ist. Die Zusammenarbeit mit Menschen mit so unterschiedlichen Fähigkeiten und Perspektiven, aber mit dem gleichen Antrieb und dem gleichen Wunsch, zusammenzukommen und etwas Wertvolles zu schaffen, hat für mich den entscheidenden Unterschied gemacht.“ und den Erfolg unseres Projekts bestimmt haben“, sagte Rainy Michelsen, SB '20, ein Maschinenbaukonzentrator. „Die Erfüllung, die sich aus der Arbeit in einem so großartigen Team ergibt, und die Herausforderung und Chance, die sich aus der Verbindung scheinbar getrennter Gedankenbereiche ergab, und die daraus resultierende Innovation waren die lohnendsten Aspekte des Projekts.“

Themen:Wissenschaft, Umwelt

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