SmartSoil Growing System/hr
Cilj
Cilj ovog projekta bio je razviti standardizirani hidroponski sustav uzgoja koji koristi Lyratin SmartSoil uzgojni medij s boljim pristupom za udaljeni/lokalni hidroponski uzgoj. Korištenjem tehnologije 3D ispisa potencijalno bismo mogli proizvoditi većinu opreme i alata na daljinu kako bismo to postigli. Kako bi se razvio hidroponski sustav uzgoja, fizički sustav, koji uključuje cirkulacijski sustav, mehaničku strukturu, sustav rasvjete, kemiju vode i sustav praćenja, trebalo je dizajnirati, napraviti prototip, ponoviti i potvrditi. Također je bilo potrebno izraditi standardni operativni protokol (SOP).
Ovaj pregled projekta usredotočit će se na aspekte održivosti i hardvera ovog projekta, posebno na razvoj tri primjera potprojekta - sustav odvodnje, SmartSoil dozator i netcup dozator
Pozadina
Tvrtka, Lyrata Inc., osnovana je 2021. i pobijedila je na natjecanju NEST na Sveučilištu Toronto's Hatchery Entrepreneurship. U početku nisam bio dio toga, već sam se pridružio kao student strojarske dizajnerske zadruge u ljeto 2022. i počeo postati suosnivač 6 mjeseci kasnije.
Lyrata je razvijala hidroponski medij za 3D ispis i višekratnu upotrebu pod nazivom "SmartSoil". Ovaj novoizumljeni SmartSoil emitira 88% manje ugljika od konkurentskih proizvoda u procesu proizvodnje. Budući da se može 3D ispisati, također je pogodan za daljinsku proizvodnju, što ga čini puno lakšim za pristup ruralnim područjima poput sjeverne Kanade.
Tvrtka je donekle potvrdila performanse rasta SmartSoila u ovom trenutku, ali bilo je desetaka tehničkih i poslovnih izazova . Ono što se najviše istaknulo je da većina hidroponskih farmi ima svoju infrastrukturu i operacije izgrađene oko velikih komercijalnih hidroponskih medija za uzgoj kao što je Rockwool, dok Lyratin SmartSoil ne funkcionira dobro s ovim uspostavljenim infrastrukturama i operacijama. Zbog toga je bilo nepraktično da se SmartSoil komercijalizira kao samostalan proizvod poput drugih medija za uzgoj. Jedini način da SmartSoil funkcionira u komercijalnim uvjetima bio je stvoriti novi sustav za njega, što je uključivalo stvaranje infrastrukture i operativnih standarda.
Istraživanje i razvoj
Sustav odvodnje
Komercijalni dijelovi hidroponske drenaže uvijek uključuju mreže ili mrežice kako bi se spriječilo otjecanje lišća i korijenja. Međutim, zahtijevaju redovito čišćenje jer kako se lišće i korijenje nakupljaju oko odvoda, protok vode se blokira, a razina vode raste. To obično rezultira malim protokom vode, što dovodi do niske razine otopljenog kisika u vodi i uzrokuje gušenje korijena. U gorem slučaju, ako su odvodi previše začepljeni, voda se može preliti. Uzgajivači uvijek moraju često čistiti odvode. Neki uzgajivači koriste zračne pumpe i zračne kamenčiće za povećanje razine otopljenog kisika, ali zračne pumpe stalno crpe struju, a zračne kamenčiće je vrlo teško očistiti. To me navelo da istražim jednostavnije načine povećanja razine otopljenog kisika u vodi.
Kroz iteracije, novi odvod je razvijen i testiran kao što je prikazano na priloženoj slici "Air Drenaža". Ideja je bila stvoriti konzistentnu mješavinu vode i zraka unutar drenažne cijevi koja povezuje dva sloja. Okomiti tunel poput vijka u sredini osigurava da voda nikada ne teče prema dolje bez miješanja sa zrakom. Ovo djelovanje smjese može se lako uočiti po malim mjehurićima formiranim na donjem sloju oko spojne cijevi. Eksperimentima manipuliranja veličinom i duljinom "šrafa" postigao sam idealnu veličinu mjehurića koji nije premalen da ne bi bio učinkovit u otapanju kisika, a također ni prevelik da bi prskao vodu po daskama splavi.
Kao što je prikazano na slici "Drenaža zraka", u iteraciji 3 do 5 postoje uzorci ili oblici na dizajnu koji stvaraju rotirajuću turbulenciju. Zapravo, to je rezultiralo većom brzinom protoka vode i stvorilo još više sudara između vode i zraka. Međutim, to je učinilo komad mnogo težim za čišćenje i kao rezultat toga, ova je značajka izbrisana u završnoj iteraciji. Četiri "preklopa" u posljednje dvije iteracije su bila tu da spriječe da se daske splavi podignu na pola puta i da poboljšaju rukovanje ovim dijelom za zavrtanje i odvrtanje. Komad se lako može 3D ispisati bez potpore. Kompletan set drenažnih sustava, kao što je prikazano na slici "Set drenaže", također je dizajniran, izrađen prototip i potvrđen.
Kako bi se eliminirala mogućnost mrtvog lišća i korijenja koji trče u sustav i potencijalno blokiraju odvode, razvijen je alat za filtriranje kao što je prikazano na slici "Filtar za lišće". Da biste to iskoristili, mrežica se postavlja između komada B i C i fiksira iskrama na komadu B. Za svaku jedinicu potreban je samo jedan filtar. Tijelo je dovoljno široko da je potrebno mnogo rjeđe čišćenje. Također se lako čisti zahvaljujući dizajnu "ladice". Drenažni set i filtar za lišće rade zajedno kako bi osigurali bogatu količinu otopljenog kisika u vodi, brzo i jednostavno čišćenje krutog materijala u vodi i stalno visok protok vode bez opasnosti od prelijevanja.
SmartSoil dozator
To make SmartSoil commercially viable, we needed to make it easy to be handled, so I started investigate on methods to dispense these pallet conveniently. Ideally there could be a tool that can easily dispense a pre-set amount of SmartSoil in one motion. It would also be great if the same mechanism could also be suitable for automation in the future.
There are tool or machine that serve similar purposes like candy dispenser or fish food dispenser for my reference but they were not applicable for SmartSoil because SmartSoil pallets are solid, small, and yet rough. They cannot be easily broken like fish food, nor can it be dispensed one at a time like hard candys since multiple (12~16) needed to be dispensed at each time and they could easily jam the motion by their rough surface.
The general idea is simple as shown in figure "SmartSoil Dispensing Motion Draw up" on the right. You segment a pre-set volume of the pallets and dispense them by opening up from the bottom. The hardest part was to segment the volume out without jamming the motion (step 2 - step 3 in figure "SmartSoil Dispensing Motion Draw up"). I did serval feasibility test with paper, plastic sheet, brushes, and 3d-printed shove-like pieces as the segmentation tool. None of them were able to cut through with consistency. I also tried other form of segmentation but there is always at lease one corner where the PLA pallets jams easily. I was dying for new ideas until I realized maybe there is a way to segment the volume without consistently cutting through. Maybe there is a way to make use of the jamming senerio if I could manage to bare with the inconsistant travel of the segmentation tool (Blue line in image "SmartSoil Dispensing Motion Draw up"). With this idea, I made the first version of SmartSoil dispenser and prototyped it with four 3D printed pieces and two springs as shown in figure"Soil Dispenser - First Version".
The "segmentation tool" (Orange part in figure "Soil Dispenser - First Version") is tied to the body (Grey part in image "Soil Dispenser - First Version") using a tension spring so it is also being pull towards left. To use this tool, an operation needs to use one hand to hold on to the body and use the other hand to pull the "Under Door" (blue part in figure "Soil Dispenser - First Version") to the right most (reloading) and to the left most (releasing). In case there are SmartSoil pallets preventing the segmentation tool to return to default location, well... it does not matter because it dose not jam the travel of the "Under Door" and, by jamming, it is preventing any pallets from entering the pre-set volume from above.
Testiranjem je ovo savršeno funkcioniralo prema očekivanjima. Nakon nekoliko ponavljanja s ciljem da ovaj alat za raspršivanje tla učinim agronomskijim i učinkovitijim, došao sam do verzije 11 kao što je prikazano na slici "Razpršivač tla - 11. verzija" desno. Ovaj dizajn koristi naš tim za uzgoj već godinu dana i značajno je poboljšao učinkovitost sjetve SmartSoila.
