Résolveurs de problèmes par conception

Le RoboBee non attaché

Les modifications apportées au Robobee - y compris une paire d'ailes supplémentaires et des améliorations des actionneurs et du rapport de transmission - ont rendu le véhicule plus efficace et ont permis l'ajout de cellules solaires et d'un panneau électronique. Ce Robobee est le premier à voler sans cordon d'alimentation et est le véhicule sans attache le plus léger pour réaliser un vol soutenu. (Image reproduite avec l'aimable autorisation du Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS)

Les rats sur le campus, la pollution sonore perturbatrice et la recherche coûteuse en haute mer semblent n'avoir rien en commun, sauf qu'ils pourraient tous être résolus en utilisant une approche de conception technique.

C'est exactement ce qu'ont fait les étudiants du cours Engineering Problem Solving and Design Project (ES 96) de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, en appliquant leur savoir-faire en ingénierie, en collaboration avec des clients du monde réel, pour trouver des solutions exploitables.

Le cours demande aux étudiants d'analyser un défi comme un vaste système et d'identifier les composantes sociales, économiques, éthiques, techniques et durables ; examiner les commentaires des systèmes et les boucles d'application pour déterminer les causes profondes des problèmes ; et étudier et concevoir différentes solutions qui satisfont les limites qui entourent le défi, a expliqué Fawwaz Habbal, doyen exécutif pour l'éducation et la recherche, qui a co-enseigné le cours avec Kelly Miller, précepteur principal en physique appliquée, Nabil Harfoush, professeur agrégé invité en sciences de l'ingénieur, et Peter Stark, maître de conférences en sciences de l'ingénieur.

"Avec une expérience aussi unique et approfondie, les étudiants sont mieux préparés à s'engager dans les défis futurs et à exercer leur leadership pour aborder et éventuellement résoudre des problèmes humains importants", a déclaré Habbal. « Cette année, les étudiants ont fait un travail incroyable pour trouver les causes profondes de trois défis différents et ont trouvé ensemble des solutions passionnantes. Les clients ont été enthousiasmés par les solutions et en mettront en œuvre certaines. Ce fut une expérience passionnante pour les étudiants, enrichissante pour les clients et gratifiante pour les instructeurs qui ont observé la croissance et la maturité des étudiants.

Défi de la pollution sonore

Le quai de chargement des services de restauration de l'Université de Harvard (HUDS) est un lieu très fréquenté, avec un flux constant de camions qui entrent et sortent pour déposer ou ramasser de la nourriture utilisée pour servir 25 000 repas chaque jour. Avec autant d'activités, dont une grande partie se produit tôt le matin, les étudiants vivant dans des maisons adjacentes au quai de chargement - Eliot, Kirkland, Winthrop et Lowell - ont exprimé leurs inquiétudes concernant le bruit qui perturbe leurs études et leur sommeil. Une section ES 96 a travaillé avec HUDS, identifiant des moyens de réduire le bruit sans affecter négativement les opérations.

Après avoir étudié la circulation et les niveaux sonores du quai de chargement, les étudiants ont proposé plusieurs solutions à court et à long terme. À long terme, ils ont proposé de modifier l'aménagement de la maison Eliot et Kirkland, en conjonction avec le projet de rénovation de la maison, afin que moins de fenêtres des chambres donnent sur le quai de chargement. Ils ont également proposé de garder les contre-fenêtres en place, même après l'installation des fenêtres à double vitrage. Les étudiants ont constaté que le maintien d'un espace de cinq pouces entre la contre-fenêtre et les fenêtres à double vitrage réduisait le bruit de près de 60 %, pour un coût supplémentaire de 200 $ par contre-fenêtre.

À court terme, les étudiants ont suggéré de recouvrir les rabats des plates-formes de camions pour réduire le bruit lorsqu'ils claquent contre le pont du quai de chargement. En ajoutant un revêtement en caoutchouc mousse à l'extrémité d'un volet et en versant du silicone sur le pont pour fournir un espace d'atterrissage en douceur, les étudiants ont pu réduire les niveaux de bruit de 100 à 86 décibels. Ils ont également développé un boîtier résistant aux intempéries, contenant de la mousse acoustique et des panneaux acoustiques denses, à placer sur l'alarme de recul d'un camion, ce qui a réduit les niveaux de bruit de 102 à 88 décibels.

"Les plus grands défis auxquels nous avons été confrontés ont été d'apprendre à travailler efficacement tout au long du projet", a déclaré Jessica Klusty, SB '20, un concentrateur en bioingénierie. Nous étions un groupe de 11 personnes, travaillant ensemble vers un objectif commun, mais il y avait des sous-groupes fluctuants qui changeaient de semaine en semaine. Cela a posé des problèmes de coordination et de communication au début, mais je crois que cela nous a rendus plus forts à long terme. La partie la plus gratifiante de ce projet a été de voir qu'en fin de compte, nous avons réellement aidé notre client et que les changements que nous avons suggérés sont entrés en vigueur immédiatement."

Contenir le problème des ravageurs à Harvard

Le bureau de la santé et de la sécurité environnementales de Harvard reçoit chaque semaine des centaines de rapports sur les parasites sur le campus, principalement des rats et des souris que les étudiants repèrent en train de fouiller dans les poubelles ou de se déplacer autour des bâtiments à la recherche de nourriture. Les problèmes sanitaires et de réputation posés par les rats sur le campus sont une préoccupation sérieuse, mais les actions actuelles, y compris les roches artificielles contenant du poison, la vidéosurveillance et les poubelles antiparasitaires, ne suivent pas le rythme du problème. Une section de l'ES 96 visait à améliorer l'efficacité des mesures de lutte antiparasitaire et à réduire l'accès des ravageurs aux sources de nourriture à Harvard.

Les étudiants ont étudié un certain nombre de solutions et ont même (brièvement) envisagé d'introduire des animaux prédateurs sur le campus, avant de choisir de concevoir un piège à rats plus robuste et d'améliorer la base de données de rapports sur les ravageurs de Harvard. Les étudiants ont développé un piège qui se trouve sous le couvercle d'une poubelle ; un tuyau à travers le couvercle de la boîte offre aux rats une entrée à sens unique dans le piège. Une fois à l'intérieur de la boîte scellée, un piège à rats T-Rex tue le rat. Un mécanisme magnétique que les étudiants ont développé permet à un travailleur d'ouvrir la boîte, de vider le rat malchanceux dans la poubelle, puis de fermer la boîte et de réinitialiser le piège en appuyant sur un bouton.

Les étudiants ont également adopté une approche du problème basée sur les données en développant une application Web pour consolider les signalements de ravageurs reçus par EHS sur une base quotidienne ou hebdomadaire. Les individus utilisent l'application pour signaler les observations de parasites, qui sont automatiquement renseignées dans une base de données et sur une carte qui montre les points chauds de parasites autour du campus. En plus de prendre des données à partir de rapports humains, l'application est également conçue pour recevoir des informations du dispositif de détection de parasites développé par les étudiants. L'appareil utilise un capteur infrarouge pour détecter les rats qui passent à proximité, puis utilise les données GPS pour enregistrer automatiquement l'emplacement dans la base de données et la carte de l'application, rationalisant ainsi le processus de signalement des ravageurs.

"Mon instinct face à un problème difficile est généralement de chercher immédiatement comment le résoudre, mais une chose que cette classe a bien fait a été de me forcer à ne pas le faire. Nous avons passé les premières semaines du semestre à définir le problème, plutôt que de le résoudre", a déclaré Charlie Colt-Simonds, SB '20, un concentrateur en génie électrique. "Au début, ce processus était incroyablement frustrant, mais j'ai vite réalisé qu'il y avait beaucoup à apprendre sur le problème lui-même avant même de pouvoir commencer à réfléchir à des solutions. Cela m'a appris à prendre mon temps lorsque j'aborde un problème pour la première fois, pour m'assurer que je le comprends parfaitement avant de passer aux solutions."

Un récipient sous pression peu coûteux et intelligemment conçu

Le laboratoire de Peter Girguis, professeur de biologie de l'organisme et de l'évolution, étudie la biogéochimie de la mer profonde, prenant souvent des mesures jusqu'à 4 000 pieds sous la surface de l'océan. Étant donné que l'équipement de surveillance sensible du laboratoire ne peut pas survivre dans des conditions aussi difficiles, ils utilisent des récipients sous pression en titane pour garder l'équipement en sécurité et au sec, mais ces appareils peuvent coûter jusqu'à 40 000 $ chacun, et un navire personnalisé est nécessaire pour chaque nouveau capteur que l'équipe envoie dans les profondeurs de l'océan. Une section de l'ES 96 cherchait à permettre aux chercheurs d'obtenir des données de manière plus économique.

Les étudiants ont déterminé que les récipients sous pression actuels sont si chers, en partie à cause du travail de fraisage à façon impliqué dans le processus de production. Ils ont découvert que l'utilisation d'un stock de tubes en titane préfabriqués, plutôt que le fraisage d'un récipient à partir d'un bloc solide de titane, pouvait réduire de moitié les coûts de production, mais entraînerait une réduction de la durabilité et de la stabilité. Ils ont pu surmonter ce problème en ajoutant une série d'anneaux de renforcement en titane au tube, épaississant efficacement les parois de la cuve tout en économisant de l'argent sur la production et en réduisant le temps de fabrication.

Les étudiants ont également développé un système basé sur le Web pour rationaliser la conception des récipients sous pression. Un utilisateur saisit simplement les spécifications souhaitées (taille du navire, profondeur cible, etc.) et l'application recherche dans les données sur tous les stocks de tubes en titane disponibles qui correspondent à ces spécifications, en compilant un rapport qui répertorie les fournisseurs et les prix pertinents. Le logiciel va encore plus loin en exécutant des algorithmes de validation des contraintes sur la conception du récipient sous pression, déterminant automatiquement le nombre d'anneaux de renforcement à ajouter pour garantir que le tube peut résister à la pression à la profondeur souhaitée. Le système crée ensuite des dessins techniques, une description du processus de production et un manuel d'utilisation, qui peuvent être envoyés directement à l'entreprise de fabrication.

« La leçon la plus importante que j'ai tirée de ce projet est l'importance de son équipe. Travailler avec des personnes aux compétences et aux perspectives aussi variées, mais avec le même dynamisme et le même désir de se réunir et de créer quelque chose de valable a fait toute la différence pour moi et a déterminé le succès de notre projet », a déclaré Rainy Michelsen, SB '20, un concentrateur en génie mécanique. "L'épanouissement qui découle du travail au sein d'une équipe aussi formidable, ainsi que le défi et l'opportunité qui se sont présentés en reliant des domaines de pensée apparemment séparés, et l'innovation qui en a résulté, ont été les aspects les plus gratifiants du projet."

Les sujets:Universitaires, Environnement

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