Слева направо: Одри Пак, Жаклин Нгуен, Яшви Деливала и Аманда Лакер на выставке AME Senior Design Expo.
В лабораториях Инженерной школы Университета Южной Калифорнии в Витерби команды студентов преобразуют теоретические концепции в революционные технологические решения, демонстрируя, как передовые исследования могут решать сложные задачи в области автомобилей, робототехники и освоения космоса.
Снижение шума для оптимизации эксплуатационных характеристик
Ана Басаве, Янис Корона, Сэмюэл МакКарти, Уилл Парма
USC Racing решает важную задачу гоночных характеристик: баланс между снижением шума и эффективностью двигателя.
Используя четвертьволновую выхлопную систему, команда под руководством студентов исследует, как снизить шум двигателя без ущерба для мощности — хрупкий баланс, который всегда был проблемой для команды во время технических проверок. Система четвертьволновых труб уже является хорошо известной технологией в гонках, но работа USC Racing позволит применить ее более точно и эффективно, потенциально изменив способ снижения шума в высокопроизводительных автомобилях.
«Наша цель — снизить шум, не заглушая двигатель», — объясняет Сэмюэл Маккарти, главный инженер по подвеске. «Используя четвертьволновую трубу, мы стремимся добиться лучшего контроля шума при сохранении производительности двигателя».
USC Racing приняла участие в турнире SoCal Shootout, заняв 3-е место в регионе.
Идея главного дизайнерского проекта возникла во время технической проверки соревнований, в ходе которой USC Racing изо всех сил пыталась соответствовать требованиям звуковых испытаний. «Все остальное прошло хорошо, и мы достигли уровня, который мог бы принести нам подиум – за исключением теста на шум», – говорит Маккарти. «Мы знали, что нам нужно решить эту проблему, чтобы улучшить результаты в следующем году».
По мере того, как команда собирает больше данных из своей текущей установки, она будет совершенствовать свои симуляции для будущих проектов, включая предстоящий гоночный автомобиль SCR 25.
«Установив параметры нашей системы, мы совершенствуем конструкцию SCR 25», — объясняет Маккарти. «Это позволит нам выбрать лучшие конфигурации и оптимизировать систему четвертьволновых трубопроводов для реальных условий».
Проприоцептивная роботизированная нога направляется в космос
Ири Купер, Джейк Футтерман, Джейкоб Месеха, Эдуардо Росалес мл.
Ежегодно на выставке AME Senior Design Showcase демонстрируется ряд изобретательных проектов в области робототехники.
Вдохновленный тем, как животные и люди ориентируются в окружающей среде, этот проект исследует роботизированное восприятие путем разработки роботизированной ноги с прямым приводом, которая включает в себя проприоцепцию – способность ощущать положение и движение тела.
Инновационная роботизированная нога не просто двигается, но и активно «чувствует» местность. Ощущая свое окружение, робот сможет идентифицировать материальные особенности земли, через которую он проходит – особенность, которая будет важна для миссий на Марс.
«По сути, мы копируем движения кошек и собак», — говорит участник проекта Джейк Футтерман. «Наша нога использует моторы не только для движения, но и для восприятия, экономии энергии и сбора подробных и непрерывных данных.
«Нога путешественника», спроектированная и построенная для проприоцепции
«Несмотря на то, что сама платформа не отправится на Марс, цель состоит в том, чтобы проверить, действительно ли работает технология, лежащая в ее основе», — сказал Футтерман. «Каждый раз, когда нога делает шаг, она собирает данные о силе земли, что позволяет нам определять свойства материалов. Если мы сможем доказать, что это работает, когда нога прыгает, мы сможем реализовать это на собаке-роботе, предназначенной для исследования Марса.
Концепция проприоцепции применительно к робототехнике была разработана в лаборатории RoboLAND Университета Южной Калифорнии. Лаборатория, которой руководит доктор Фейфей Цянь из факультета электротехники, занимается сбором пространственных данных. «Робототехника по своей сути сложна, поскольку она сочетает в себе несколько инженерных дисциплин, поэтому было так полезно сотрудничать с лабораторией», — объяснил участник проекта Эдуардо Росалес. «Механически нам нужно было изготовить точную и прочную опору, способную выдерживать большие нагрузки. В электрическом плане нам пришлось создать схемы, способные очень быстро передавать данные, минимизируя потери. А что касается управления, то запрограммировать ногу на прыжок далеко не просто.
Системы управления робота пришлось тщательно настроить, чтобы нога реагировала точно, не выходя за пределы заданного положения. Каждый раз, когда нога движется, она адаптируется к окружающей среде – аналогично тому, как животные реагируют на окружающую среду.
Потенциальное влияние на освоение космоса является значительным. Традиционные марсоходы часто испытывают затруднения на пересеченной местности и вынуждены прекращать движение для сбора данных. Робот с проприоцепцией сможет достигать областей, недоступных для колесных марсоходов, исследуя ранее недоступные части планеты.
Суперэластичные шины произведут революцию в миссиях на Марс
Яшви Деливала, Аманда Лакер, Жаклин Нгуен, Одри Парк
Другая команда решила решающую проблему в технологии марсоходов, а именно долговечность алюминиевых шин, которые часто выходят из строя на пересеченной местности планеты.
Обратившись за советом и наставничеством к Колину Крегеру и Санто Падуле, инженерам Исследовательского центра Гленна НАСА, команда разработала инновационное решение — изготавливать шины из нитинола, сверхэластичного материала, способного «деформироваться» под нагрузкой и возвращаться к своей первоначальной форме.
САПР-модель сборки шин и колес
«Цель нашего проекта — использовать этот новый материал, поскольку он повышает эффективность, автономность и производительность марсохода, позволяя шине менять форму в зависимости от местности», — объяснила участница проекта Одри Парк. Эта технология также может позволить исследовать более сложную марсианскую местность с гораздо меньшим повреждением шины, чем предыдущие алюминиевые шины.
Команда столкнулась с уникальными препятствиями, в том числе с «формированием» нитиноловой проволоки в прочную катушку — процесс, который требовал точного нагрева для сохранения свойств материала. Инженеры НАСА оказали критически важную поддержку, предложив советы и поставив нитинол на 1000 долларов. «Было очень интересно работать с экспертами, которые десятилетиями исследовали именно эту тему», — добавляет Пак.
Их прототип 10-дюймовой шины представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими проектами и включает в себя новые методы анализа локальных и глобальных деформаций. «Локальная деформация смотрит на то, как деформируются сами пружины, тогда как глобальная деформация смотрит на работу всего колеса, например, на то, как движется ось», — объяснила участница проекта Жаклин Нгуен.
Прорыв команды не только обещает повысить долговечность и эффективность марсохода, но также демонстрирует потенциал легких материалов, таких как нитинол, для снижения затрат на космические миссии. «Каждая книга, отправленная в космос, стоит тысячи долларов», — сказала участница проекта Аманда Лакер. «Этот материал значительно легче алюминия, что меняет правила игры в освоении космоса».
Это лишь некоторые из лучших проектов, представленных в этом году, свидетельство амбициозности и применимости работы, проводимой среди студентов AME. Когда они закончат обучение в следующем году, поступят в свою отрасль или продолжат обучение в аспирантуре, их практический опыт обеспечит им хорошую подготовку к тому моменту, когда резина – или робот – отправится в путь.
Опубликовано 18 декабря 2024 г.
Последнее обновление: 18 декабря 2024 г.
