Abordar la contaminación del aire con drones autónomos | Noticias del MIT



Volando a más de 100 metros sobre una zona residencial urbana densamente poblada, el dron respira silenciosamente. Su objetivo es singular: medir sistemáticamente la calidad del aire en el paisaje metropolitano, proporcionando actualizaciones periódicas a un módulo central de comunicación donde atraca después de su patrulla, a la espera de su llegada, un nuevo conjunto de instrucciones. El módulo central integra cada nuevo punto de datos proporcionado por una pequeña flota de drones, procesándolos en base a patrones de viento y circulación e información histórica sobre puntos calientes de contaminación. Luego, a la flota se le asignan nuevos puntos de referencia de muestra y se vuelve a lanzar.

Este sistema de monitoreo de la contaminación del aire autónomo simulado es el proyecto insignia del programa recién graduado de Transformación de la Educación en Ingeniería (NEET). Chloe Nelson-Arzuaga '21, Jeana Choi' 21, Daniel González-Díaz '21, Leilani Trautman' 21, Rima Rebei '21 y Berke Saat' 21, que han estudiado robótica autónoma juntos desde que ingresaron a NEET en su segundo año en el MIT.

"Todos convergimos en esto porque pensamos que el impacto social sería más poderoso que cualquiera de los otros proyectos que estábamos viendo", dice Trautman.

Su sistema representa un enfoque fundamentalmente diferente para el monitoreo de la calidad del aire en comparación con los sistemas fijos comúnmente utilizados en áreas urbanas, que el grupo dice que a menudo no detectan la heterogeneidad espacial de los niveles de contaminación de la calidad del aire en un paisaje. Dada su distribución limitada y falta de movilidad, estos sistemas son en realidad solo un indicador confiable de la calidad del aire que rodea directamente cada punto de monitoreo, pero sus datos se reportan como si fueran representativos de la calidad del aire en toda la ciudad, explican los recién graduados.

“Entonces, si bien podrían decir que la calidad del aire es bastante buena, ese podría no ser el caso del parque que está al lado de su casa”, explica González-Díaz.

El sistema UAV NEET Cohort está diseñado para proporcionar datos de calidad del aire en tiempo real con una resolución de 15 metros que es accesible al público a través de una interfaz fácil de usar.

El programa NEET se lanzó en 2017 con el objetivo de rediseñar fundamentalmente la forma en que se enseña la ingeniería en el MIT. Enfatiza la erudición interdisciplinaria y el aprendizaje basado en proyectos para preparar a los estudiantes para los principales desafíos de ingeniería del siglo XXI. El programa está creciendo y es la cuarta comunidad universitaria de pregrado más grande, con más de 185 estudiantes participantes. Están representadas veintitrés especializaciones de 13 departamentos. El 64% de los estudiantes son mujeres y el 28% son miembros de grupos subrepresentados.

Nelson-Arzuaga, Choi, González-Díaz, Trautman, Rebei y Saat se graduaron del MIT con un certificado del "alambre" o área de concentración de máquinas autónomas de NEET. El plan de estudios NEET tiene cinco temas para que los estudiantes elijan, cada uno enfatizando una clase de problemas de ingeniería contemporáneos o futuristas. Por ejemplo, el hilo de Materiales Avanzados explora el futuro de la tecnología y la fabricación de materiales, mientras que el hilo de Ciudades Digitales integra la informática con la planificación urbana para preparar a los estudiantes para construir ciudades más idealizadas. NEET también ofrece un hilo de máquinas vivas centrado en biotecnología, así como un hilo de máquinas de energía renovable, que se centra en el diseño de sistemas de energía verde. El hilo de Autonomous Machines enseña a los estudiantes a diseñar, construir y programar robots autónomos.

La estructura del programa NEET es progresiva y se basa en las lecciones del año anterior para finalmente preparar a los estudiantes para la aplicación en el mundo real.

“(En segundo año) les damos un proyecto individual … y luego, en tercer año, tienen su primer proyecto en grupo pequeño. Y luego, el último año, tienen un proyecto de clase. Así que se vuelve cada vez más complicado ”, explica Greg Long, Instructor sénior de NEET. "Se supone que este proyecto de alto nivel imita algo que harían si quisieran iniciar una empresa nueva".

Fue durante el tercer año de la cohorte, cuando se les asignó la tarea de construir vehículos autónomos capaces de pilotar otros vehículos y evitar obstáculos, que la pandemia obligó al cierre del campus del MIT y la cohorte NEET se dispersó por todo el mundo.

“(El programa) es tan conveniente y requiere mucho tiempo que realmente pensamos que las clases terminarían en el momento en que tuviéramos que dejar el campus”, dice Saat. “Pero luego continuaron. Prepararon la simulación para nosotros y todo, pero el tiempo asignado todavía estaba allí y estábamos en cinco zonas horarias diferentes. "

El programa NEET dura aproximadamente 20 horas por semana además del resto de la carga de cursos del estudiante y los estudiantes dicen satisfacer esa demanda con Choi en Cambridge, Trautman y Nelson-Arzuaga en California, Saat en Turquía, Rebei en L & # 39; Illinois, González-Díaz en Puerto Rico y otro compañero de equipo en Taiwán requirieron una coordinación creativa y agotadora del cronograma.

“Literalmente (para) algunos de nosotros el sol estaba saliendo y (para) otros el sol se estaba poniendo (trabajando juntos)”, dice Choi. "Definitivamente nos unimos y aprendimos mucho, y creo que no hubiera sido posible si uno de nosotros no estuviera muy interesado en la robótica".

También fue la pandemia lo que ayudó a informar la decisión del grupo de abordar la contaminación del aire como el proyecto final de su último año, ya que expuso aún más "las disparidades raciales y los costos que causa la contaminación del aire en los Estados Unidos", dice Rebei.

El proyecto de drones de la cohorte está diseñado para monitorear una forma de contaminación llamada PM 2.5, que son esencialmente partículas de contaminación lo suficientemente pequeñas como para ingresar al torrente sanguíneo cuando se inhalan, lo que puede provocar enfermedades pulmonares y afecciones cardíacas con el tiempo, según los estudiantes.

"Las comunidades de color de bajos ingresos, al final del día, son aquellas que se ven afectadas de manera desproporcionada por la contaminación del aire, y … la contaminación del aire es lo que contribuye a muchas de estas enfermedades respiratorias mortales … en estas comunidades en particular", explica Rebei. “Las personas que ya tienen estas afecciones preexistentes … tienen un mayor riesgo de enfermarse gravemente por Covid-19. "

Además de diseñar un sistema de drones capaz de capturar de manera efectiva la variación en los niveles de exposición a la contaminación a nivel de vecindario, la cohorte NEET creó una interfaz web que podría superponer esta información con datos socioeconómicos de la región, como ingresos, raza, composición del hogar, discapacidad. estado, tipos de vivienda y modos de transporte. Esto haría que los patrones y las disparidades en la exposición a la contaminación del aire fueran públicos y más fáciles de probar, lo que, según los estudiantes, podría ayudar a las comunidades afectadas a abogar por el cambio.

La complejidad del proyecto de drones, a pesar del aprendizaje a distancia, obligó a toda la cohorte a salir de su zona de confort y adquirir rápidamente nuevas habilidades.

“Soy estudiante de diseño mecánico, así que hago mucho modelado 3D”, explica Nelson-Arzuaga. Sin embargo, para el proyecto de drones, fue responsable de aprender a operar una red de comunicación celular para que los drones pudieran hablar con el módulo de comunicación central. "(Fue) muy diferente de todo lo que aprendí en todos mis otros cursos de diseño".

Los recién graduados dicen que los ninis los han preparado para estos desafíos, pero dijeron que la parte más valiosa del programa para ellos es la comunidad que han construido y las experiencias que han compartido mientras trabajan juntos.

“Cuando hicimos el curso de robots de segundo año, todos pensamos, '¿Qué es un robot? ¿Cómo hacemos algo? ”, Bromea Trautman. “(Y ahora estamos haciendo) un trabajo de desarrollo de muy alta calidad en este proyecto. Creo que es emocionante ver, ver a dónde van todos en el futuro y ver cómo todos han progresado. Fue un viaje realmente genial.

El programa NEET continúa desarrollando y refinando su plan de estudios, y la participación de los estudiantes es una parte integral de este proceso. Las plazas todavía están disponibles en la cohorte NEET 2024. Para obtener más información sobre la solicitud, visite el sitio web NEET.

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