Pipebots: Robot che intercettano le perdite di acqua

Pipebots punta a rivoluzionare la gestione delle infrastrutture di tubazioni interrate con lo sviluppo di microrobot progettati per lavorare nelle reti di tubazioni sotterranee e nei siti pericolosi.

di Lisa Borreani

L’approvvigionamento sicuro di acqua e di energia è fondamentale per la società, ma negli ultimi decenni stiamo affrontando sfide globali quali il cambiamento climatico, lo stress idrico, gli obiettivi di carbonio, il cambiamento demografico, l’urbanizzazione che influiscono sui processi.

Nonostante gli sviluppi nelle tecnologie di ispezione come i cani da fiuto e i droni per immagini termiche, molti fornitori hanno difficoltà a monitorare le condizioni e il deterioramento della propria rete di condotte. Ciò porta a guasti imprevisti del sistema, come la rottura dei tubi e le piccole perdite nascoste.

Di conseguenza, ogni giorno vengono sprecati miliardi di litri di acqua che si disperde nel terreno.

La velocità con cui si riesce a rilevare le perdite ha un impatto diretto sul successo della risposta di riparazione. Tuttavia, l’individuazione di queste anomalie in genere comporta la chiusura al traffico delle strade a volte solo parziale, per permettere di scavare con mezzi meccanici e manualmente nel suolo spesso con difficoltà passando attraverso complessi sistemi di tubazioni.

I ricercatori dell’Università di Sheffield presso l’Integrated Civil and Infrastructure Research Center (ICAIR) stanno sviluppando una soluzione per trasformare la gestione della rete di condutture del Regno Unito che permetta interruzioni minime delle strade.

Il professor Kirill Horoshenkov del Dipartimento di ingegneria meccanica dirige un progetto interdisciplinare che rivoluziona la gestione delle infrastrutture delle tubazioni. Il progetto, noto come “Pipebots”, invia minuscoli robot nei tubi per ispezionare e riparare eventuali danni.

L’unione fa la forza: la nascita dei Pipebots

Il professor Horoshenkov ha sviluppato per la prima volta il concetto di Pipebot durante il suo periodo come responsabile della robotica su TWENTY65, un progetto collaborativo finanziato dal Consiglio di ricerca in ingegneria e scienze fisiche (EPSRC). Nel 2017, Kirill ha contattato esperti di tutte le università del Regno Unito per formare un team di collaboratori al fine di trasformare e portare l’uso dei robot nel settore idrico.

“Con la giusta esperienza, è possibile mettere insieme una soluzione in grado di affrontare le numerose sfide affrontate dall’industria dei tubi. Pipebots è suddiviso in diversi temi che consentono agli esperti di guidare nella loro area di studio la ricerca di soluzioni sostenibili.” dichiara Kirill Horoshenkov, Professore di Acustica presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università di Sheffield.

Il progetto è stato suddiviso in otto temi di ricerca che vanno dalla comunicazione e dai sensori alla navigazione e al coinvolgimento dell’utente finale. Ogni tema è condotto da esperti delle Università di Sheffield, di Birmingham, di Bristol e di Leeds.

I temi di ricerca di TWENTY65

Il tema 2 è incentrato sullo sviluppo di nuove tecniche di imaging. I robot utilizzano i sensori come gli esseri umani usano i propri sensi per avere informazioni dal mondo che li circonda.

La prima sfida è di avere informazioni accurate e pertinenti, riguardanti le condizioni del tubo. Ciò richiede lo sviluppo di sistemi non distruttivi sonici/ultrasonici per rilevare, localizzare e dimensionare difetti e condizioni di flusso in tubi pressurizzati e parzialmente riempiti con lo stesso flusso. La seconda sfida è estrarre queste informazioni in modo affidabile. Ciò implica lo sviluppo di metodi statistici per ridurre gli effetti dell’incertezza nelle misurazioni. La terza grande sfida riguarda lo sviluppo dell’hardware di rilevamento e analisi dei dati efficiente dal punto di vista energetico e integrato con gli altri sistemi.

Il tema 3, relativo ai sistemi robotici, affronta le sfide associate alla progettazione e alla produzione di hardware per sciami robotici in grado di sopravvivere a lungo termine e di spostarsi affidabilmente nei tubi interrati.

Il team del tema 4 relativo al controllo autonomo si occupa della progettazione del “cervello” del robot, un’architettura neurale per il processo decisionale che fornisce integrazione sensoriale e controllo sequenziale dei movimenti. Gli algoritmi sono ottimizzati per eseguire la ricerca diretta del bersaglio, la mappatura, il rilevamento, il superamento dei pericoli e la ricarica della batteria.

Per il tema 5, relativo alla navigazione, la prima sfida è generare mappe 3D accurate delle reti di condotte utilizzando movimenti 1D e pseudo-2D in ambienti di caratteristiche variabili. La seconda sfida è incorporare le conoscenze pregresse per migliorare le prestazioni dello SLAM. La terza sfida è combinare le informazioni SLAM di più robot per produrre una mappa della rete di tubi fusi in tempo reale per la navigazione, il rilevamento dei robot e per interventi mirati delle società di servizi pubblici.

Come i Pipebot esplorano le tubature sotterranee

“Abbiamo definito obiettivi di progetto specifici per ciascun tema, assicurandoci che tutti condividano la stessa visione. Questo approccio flessibile consente alle idee emergenti di essere perseguite in temi separati collegando al tempo stesso tutto il nostro lavoro verso lo stesso obiettivo dell’utente finale” aggiunge il professor Horoshenkov.

Con una larghezza di soli 40 mm, i Pipebots sono minuscoli robot dotati di gambe adatte a tutti i terreni e con telecamere al posto degli occhi. I Pipebots esplorano autonomamente la rete fognaria sotterranea e utilizzano i sensori di bordo per cercare eventuali guasti. Sono in grado di evitare aree riservate e collaborare insieme per scansionare e ripulire ampie zone.

I robot hanno le dimensioni di un giocattolo e alla fine avranno la capacità di nuotare nel flusso liquido per muoversi lungo il tubo dell’acqua, scattare foto e catturare suoni per determinare autonomamente la possibilità che il tubo sviluppi o meno un guasto.

Una volta individuato un guasto, i Pipebots eseguono la scansione e trasmettono le informazioni in modalità wireless a un tecnico. Il team preposto alla riparazione avrà la posizione esatta del guasto per consentire una riparazione rapida e senza interruzioni alla viabilità ed evitare lavori di ripristino del fondo stradale.

“Attualmente le aziende sono costrette alle riparazioni immediate alla presentazione di una rottura. I Pipebots aiutano le aziende a reagire proattivamente ai problemi prima che diventino seri”, afferma il professor Horoshenkov.

L’industria ed i Pipebots

Il team sta collaborando con grandi aziende idriche per avvicinare la tecnologia all’industria, come ad esempio Northumbria Water che sta costruendo una nuova struttura per testare soluzioni per l’ispezione delle condutture dell’acqua. Finanziato dall’Ofwat Innovation Fund, l’impianto è composto da una conduttura di cinque chilometri che simula il flusso di acqua pulita ma non è collegata ad alcuna proprietà. Ciò consentirà test rigorosi senza rischio di interruzione della fornitura idrica al cliente.

Pipebots sta inoltre collaborando con Thames Water per valutare come la tecnologia possa essere utilizzata per ispezionare le condutture sempre in aumento che pompano le acque fognarie verso gli impianti di trattamento dell’acqua. Il progetto valuterà come utilizzare i robot per monitorare le condizioni interne di questi tubi fognari completamente pressurizzati.

Non appena i robot saranno nei tubi, lavoreranno per raccogliere dati e sviluppare una comprensione autonoma per identificare e risolvere i guasti. Il team sperimenterà infine una nuova tecnologia in cui i robot sigilleranno le perdite direttamente all’interno dei tubi, riducendo ulteriormente la necessità di scavi e interruzioni. Aziende in Australia, Cina e Medio Oriente sono interessate al loro utilizzo, quindi la loro conoscenza diventa internazionale.

“Il nostro prossimo progetto riguarderà anche la costruzione di un Tankbot, un robot più grande che integri tutte le nostre idee di ricerca in una singola unità. Questo robot sarà dotato di una scheda PC che gli conferirà più intelligenza e la capacità di prendere decisioni ancora più autonome. Il mercato per queste tecnologie nel settore dei tubi è davvero illimitato”, afferma il professor Horoshenkov.