L.A.R.S. (Sistema di avvio e ripristino): 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Panoramica

Questo progetto è un Launch And Recovery System (LARS) composto da vari modelli e assiemi. Tutti insieme, rappresentano un sistema di recupero adatto per un razzo d'acqua a bassa quota. Il razzo è composto da diverse sezioni, fabbricate da bottiglie SmartWater da 1,5 litri.

L'intero sistema è composto da diversi elementi:

• Trampolino di lancio
• Corpo principale
• Sistema di recupero

Scopo e driver

L'ispirazione per questo progetto (come la maggior parte dei miei progetti) è nata con i miei nipoti. Per farla breve, anni fa (quando i miei giovani nipoti non erano così grandi) volevano accendere dei fuochi d'artificio nel Giorno dell'Indipendenza. Normalmente, non così male, ma quell'anno era diverso: stavamo progettando un lungo weekend nella capanna dei loro nonni, a McCall, nell'Idaho. Se non sei mai stato in Idaho, è molto secco. Se non sei mai stato a McCall, Idaho: è molto secco e ci sono MOLTI alberi, arbusti, erba e altri combustibili perfetti per gli incendi boschivi. Dato che era già un anno incredibilmente secco e Smokey the Bear teneva in mano il cartello di rischio incendio "ALTO" fuori dall'ufficio del servizio forestale, ho cercato un'alternativa.

Allo stesso tempo, l'ho vista come un'opportunità per dimostrare ciò che cerco di imprimere nelle menti giovani e scientifiche: STAND OUT. Pensa fuori dagli schemi e trova la soluzione a più problemi. All'inizio può risaltare come un pollice dolorante, ma di solito le idee migliori lo fanno.

Inoltre, a quanto pare, sono SUPER a buon mercato. Non tanto per risparmiare denaro, ma vedo così tanto che si può fare con le cose ordinarie. Il più delle volte, cose ordinarie che sono pensate per essere monouso.

Sicurezza

Sarei negligente se non lo menzionassi prima; Ricordo costantemente ai miei nipoti "La sicurezza prima di tutto". Ciò rientra nell'obiettivo generale poiché la propulsione primaria è acqua e aria. Ovviamente, questo non rappresenta alcun serio pericolo di incendio.

Man mano che costruivo più sezioni del sistema di propulsione, questo volume aumentava per aria più altamente compressa (cioè più propellente). Ovviamente questo è direttamente proporzionale alla quota massima raggiungibile. Continuando un po' con questa logica: sì, questo significava UNA velocità MOLTO PI PERICOLOSA al ritorno a terra.

La realizzazione di quanto questo potesse essere pericoloso è diventata evidente dopo che abbiamo avuto il nostro primo lancio di successo di un primo prototipo, utilizzando più sezioni nella fusoliera. Dai un'occhiata a Rocket Boys, su YouTube.

Costo

È importante ridurre al minimo il costo di qualsiasi costruzione. Nel mio scenario, ho pensato che fosse altrettanto importante garantire che il costo di ogni utilizzo fosse minimo. Voglio dire, andiamo - chi vuole mettere un sacco di lavoro per un sistema usa e getta?

Ovunque possibile, ho usato spazzatura: bottiglie d'acqua che sarebbero andate nella spazzatura, un vecchio flight case dal negozio di surplus dell'esercito, una sedia ombrello rotta da un negozio di articoli sportivi locale, un tubo dell'aria scoppiato da Harbour Freight e persino un rotto, pop -in alto la testa dell'irrigatore - in pratica, mi piace insegnare ai bambini che non esistono rifiuti; è un prodotto che ha bisogno di essere riproposto.

Chiedi solamente

In molti casi, le cose che vuoi usare non sono necessariamente "in vendita" e, se lo sono, potrebbero non valere il loro prezzo. L'ombrello verde originale che ho usato per il paracadute era su un articolo rotto da 28 dollari in un negozio. L'ho portato al bancone e ho detto che avrei dato loro i $4 che avevo con me. Ho mostrato loro che era comunque rotto e ho spiegato che volevo solo il materiale dell'ombrello. Ecco! abbiamo subito avuto un paracadute.

Riutilizzabilità

È quasi impossibile parlare di contenimento dei costi dei materiali senza considerare anche come il design del prodotto si presti alla riutilizzabilità. Se non potessimo usare facilmente il razzo più e più volte, potremmo anche incendiare la foresta con razzi bottiglia e M-80.

Portabilità

Dopo solo 1 lancio di prova del nostro primo prototipo, mi sono reso conto che l'intero sistema missilistico doveva essere il più compatto possibile. Allo stesso tempo, volevo prestarlo a chiunque volesse provarlo. Non volevo scrivere un mucchio di istruzioni di montaggio dettagliate o affittare un furgone per il trasporto.

Alla fine, ho usato la scatola dove ho riposto tutte le parti come trampolino di lancio. Alcune modifiche hanno permesso di collegare i raccordi del compressore d'aria, il tubo flessibile e la valvola di non ritorno lasciando molto spazio all'interno per tutte le sezioni dei sistemi di propulsione/recupero del razzo.

…ovviamente, dopo il lancio più recente, mi sono reso conto che l'intero sistema avrebbe potuto essere più portatile, ah.

Forniture

Trampolino di lancio

• 1 x vecchio contenitore di spedizione in eccedenza dell'esercito

  • Credo che l'abbiamo preso al The Reuseum, un ottimo posto da visitare se sei a Boise, nell'Idaho;)
  • Avviso spoiler: in realtà non immagazzinano questi tipi di container dell'esercito poiché hanno cambiato posizione.
• 1 x tubo del compressore d'aria (~ 15 '…o qualunque distanza ti senti al sicuro)

• 1 x tubo del compressore d'aria (~ 2' … questo va solo all'interno della scatola)

  • Entrambi i tubi precedenti, li ho costruiti da un tubo da $ 5 che ho trovato in una vendita di parcheggi di Harbor Freight. Sembrava esploso/diviso il guscio di gomma dove qualcuno lo ha lasciato troppo caldo/sciolto. A parte questo, è stato fantastico per quello di cui avevamo bisogno?
  • Se tagli/giungi qualcosa di vecchio, puoi trovare pezzi fantastici e super economici da Harbour Freight.
• 1 x valvola di non ritorno - eccone una

  Molte opzioni là fuori. Prendi qualcosa di economico

• 1 x gomito a 90º: va dalla filettatura del compressore da alla filettatura del tubo da giardino (qualcosa del genere)

  • Non ricordo dove l'ho preso, ma dato che questo è un pubblico super intelligente (e super indulgente), immagino che tu possa capire come passare da un thread all'altro dopo pochi minuti in D&B o TSC.
  • Forse combinare con qualcosa del genere.

• 1 x adattatore maschio filettato e rotante per compressore d'aria (abbiamo riutilizzato qualcosa di simile, da Harbour Freight)

  Questo è usato per attaccare il pezzo corto di tubo all'interno del contenitore in eccesso

• 1 x adattatore femmina Gardena

Fusoliera

• 12 x bottiglie d'acqua intelligenti (1,5 litri)
• 4 x bottiglie d'acqua Essentia (1,5 litri)
• 1 x ugello personalizzato (ad esempio filettatura per bottiglia da 2 litri stampata in 3D su un connettore per tubo maschio Gardena)
• 1 x tubo di adesivo Sikaflex (come questo sigillante per costruzioni)

• 1 x Ruolo di nastro adesivo (o nastro adesivo)

  Ho usato una combinazione di nastro adesivo bianco e nero sulle sezioni della fusoliera. Pensavo che conferisse al razzo un aspetto più simile all'era Apollo, ah

Sistema di recupero: non stampato

• 1 x sprinkler pop-up (abbiamo usato questo, da Lowe's)
• 1 x vecchio ombrello
• 1 x pallina da ping pong
• 1 x bottiglia Poland Spring (o qualche altra bottiglia a forma più simile al naso di un razzo - ho dimenticato la marca esatta di quella che abbiamo usato)
• 1 x acqua di seltz di marca Kroeger (venduta anche in negozi come QFC o Fred-Meyer)
• 1 x palo per recinzione elettrica in fibra di vetro (abbiamo avuto questo, penso che fosse da D&B Supply)

Sistema di recupero: Circuito

• 1 x Arduino Pro Mini
• 1 x adattatore per presa DIP a 24 pin (collegamento)
• 1 x regolatore di tensione 5V (collegamento)
• 1 x cicalino piezo (collegamento)
• 1 x resistenza da 220Ω (collegamento)

• 1 x modulo MPL3115A2

  • Quello usato qui non è più disponibile
  • Ho iniziato a lavorare su un'alternativa che registra i dati e sfrutta un giroscopio insieme al barometro: il codice su Github (vedi lars) dovrebbe essere ancora applicabile se hai un'alternativa

• 1 x interruttore a pulsante a scatto

  Se non l'hai notato, sono un fan di Tayda per le piccole cose in piccole quantità a un piccolo prezzo

Passaggio 1: piattaforma di lancio

La rampa di lancio è un equipaggiamento multifunzione. Realizzato con una vecchia scatola dell'attrezzatura che ho trovato nel famigerato Reuseum di Boise, svolge tre funzioni:

1. Meccanismo di rifornimento (…per mancanza di un termine migliore)
2. Deposito per i pezzi del corpo del razzo
3. Trampolino di lancio

Rifornimento/Riempimento

Prima di parlare dell'alimentazione del razzo, è importante dedicare un minuto a pensare ai principi scientifici di base che lo supportano. Da Wikipedia:

Un razzo ad acqua è un tipo di razzo modello che utilizza l'acqua come massa di reazione. L'acqua viene espulsa da un gas pressurizzato, tipicamente aria compressa. Come tutti i motori a razzo, funziona secondo il principio della terza legge del moto di Newton.

Abbattendolo un po', la massa di reazione è semplicemente qualcosa contro cui spingere. Spinge contro il suolo e l'aria spinge contro l'acqua. L'aria spinge anche contro la bottiglia. L'azione è l'aria in espansione, la reazione è un oggetto con la massa minore (cioè il razzo bottiglia) viene allontanato dalla rampa di lancio.

La pressurizzazione del razzo deve essere un processo additivo. Richiede di spingere l'aria nella nave senza permettere all'aria o all'acqua di fuoriuscire. Ciò si ottiene utilizzando un piccolo dispositivo chiamato "valvola di non ritorno" (a volte indicata come valvola di ritegno).

Il razzo è collegato tramite un connettore Gardena Hose sulla rampa di lancio. La parte inferiore del razzo ha un ugello con un contorno che si abbina al connettore Gardena Tap. Ho modellato un ugello in Fusion 360 combinando il profilo del Gardena Tap Connector con le filettature di una bottiglia da 1,5 L.

Il tubo che collega tutto insieme è stato preso da un tubo dell'aria di scoppio. L'ho trovato in una vendita di parcheggio della Harbor Freight per un paio di dollari - sembrava che qualcuno l'avesse restituito perché si era aperto. Quando l'ho visto, ho capito che doveva essere accoppiato. Ho pensato che questo sarebbe stato un buon momento per tagliare un pezzo corto da attaccare in modo permanente alla rampa di lancio.

Miglioramenti futuri

Vorrei acquistare o stampare in 3D alcune parti aggiuntive. Vorrei che i punti di connessione sulla scatola fossero a filo con il resto della superficie della scatola. Con quelle piccole filettature del tubo da giardino e la connessione del compressore d'aria che sporgono, è difficile da riporre senza danneggiarsi. Inoltre, è soggetto a danni durante il trasporto in un sito di lancio.

Magazzinaggio

Una volta smontate, le sezioni del corpo del razzo si adattano perfettamente alla scatola. Inoltre, mi era rimasto abbastanza spazio per tenere anche il gruppo di ripristino. Conservo quelle parti in una scatola separata nel caso in cui gli altri pezzi si siano spostati e abbiano distrutto le parti stampate in 3D.

Trampolino di lancio

Quando è il momento di lanciare il razzo, abbiamo bisogno di qualcosa che aiuti a sostenere il razzo. Inoltre, è imperativo che inizi nella giusta direzione (cioè la prima legge del moto di Newton). Per ottenere ciò, ho utilizzato due pezzi di canale di rivestimento in alluminio collegati da due pezzi stampati in 3D.

La staffa inferiore stampata in 3D ha spazio per un dado esagonale da ¼ . Ho usato questa dimensione poiché è uno standard per il montaggio di accessori su un treppiede per fotocamera (ne parlerò tra un secondo). Una volta levigato i lati del nylon dado esagonale, si adatta perfettamente alla staffa.

Mio fratello è un grande fotografo outdoor e, come tutti gli esperti nel loro campo, rompe o aggiorna la loro attrezzatura. Mentre ero a casa sua, ho notato un treppiede nella spazzatura. L'unica cosa che non andava era la regolazione dell'altezza verticale. A parte questo, era un buon treppiede. Non sapevo per cosa l'avrei usato in quel momento, ma aveva molte parti fantastiche.

Quando ho iniziato a costruire la piattaforma di lancio del razzo, ho raggiunto un punto in cui avevo bisogno di qualcosa di portatile per sostenere i binari di guida. BOO YA - riutilizza il treppiede rotto. Si adatta bene in diverse direzioni, ottimo per terreni irregolari nel tuo sito di lancio. Si imballa anche e si adatta bene alla scatola di lancio.

Ho anche progettato e stampato in 3D un pezzo che si inserisce tra i binari e si attacca al corpo principale del razzo. Questo particolare pezzo tiene il razzo vicino ai binari e non gli permette di ribaltarsi. L'ho attaccato al corpo principale con del nastro di montaggio 3M 414 Scotch® Extreme. Quando ho disegnato il pezzo ho incassato due punti dove va il nastro di schiuma, in modo che il pezzo si trovi a filo con la superficie curva in plastica.

Miglioramenti futuri

Vorrei stampare in 3D dei connettori che permettano di tagliare i binari di guida in segmenti più piccoli. Con segmenti più piccoli, posso riporre anche i binari di lancio nella scatola. Cercare di trasportare le rotaie di 8 piedi di lunghezza - in una Jeep, non meno - è stato un dolore. Inoltre, avere tutto assemblato ha reso i pezzi di plastica inclini a spezzarsi (cosa che hanno fatto) in macchina.

Passaggio 2: corpo principale

La struttura principale del razzo è composta da più componenti identici. I componenti sono costituiti da due borracce SmartWater da 1,5 L e da una borraccia Essentia da 1,5 L.

1. Taglia il fondo delle SmartWater Bottles da 1,5 L

   Assicurati di lasciare un po' della parte curva. Questa è una superficie maggiore per l'adesione di Siaflex

2. Taglia la parte superiore e inferiore di una bottiglia di Essentia da 1,5 L
3. Inserisci il fondo di una delle bottiglie SmartWater tagliate all'interno della bottiglia Essentia tagliata

   Prova ad allineare il fondo della bottiglia SmartWater con il punto medio della bottiglia Essentia

4. Inserire il fondo dell'altra bottiglia SmartWater nell'altra estremità della bottiglia Essentia

   Spingere la bottiglia SmartWater verso il basso finché non tocca l'altra bottiglia SmartWater

Segna le bottiglie

Segna le bottiglie per allinearle accuratamente, se necessario. (AVVISO SPOILER: dovrai rimontarlo in seguito).

Usa un metodo che funziona meglio per te. Mi piace tracciare alcuni segni evidenti sulle due diverse bottiglie. Quando il centro è pieno di Sikaflex e non puoi vedere dove i due si incontrano nel mezzo, è una guida più utile.

Incollare le bottiglie

Mi piace rivestire l'interno della bottiglia Essentia con uno strato di Sikaflex. È un ottimo adesivo e consente anche una certa espansione. Questa è una caratteristica vantaggiosa poiché le bottiglie tendono ad espandersi durante il riempimento con aria compressa. Utile anche quando si schianta a terra (… sì, probabilmente avrai un incidente ad un certo punto) - le bottiglie sono più facili da piegare e riutilizzare.

Collegamento delle sezioni

Una volta che tutte le sezioni sono state incollate insieme, collegale con qualcosa chiamato "Tornado Tube". QUESTO È IL PI GRANDE PUNTO DI FALLIMENTO.

La plastica delle bottiglie e la plastica dei tubi tornado è piuttosto rigida. Non sempre si adattano perfettamente e molta aria può fuoriuscire se riempiti a un PSI elevato. Inoltre, quando si utilizzano guarnizioni per tubi da giardino nei punti di contatto, esiste il rischio di un serraggio eccessivo fino a un punto in cui la guarnizione viene forzata all'interno della bottiglia. Quando ciò accade, rende praticamente inutile la guarnizione poiché non sigilla più la connessione tra la bottiglia e il tubo tornado.

Ho intenzione di creare le mie connessioni con una stampa 3D a doppia estrusione. Penso che potrebbe esserci un modo semplice per stampare un esterno rigido (per i fili) e una guarnizione flessibile al centro (per sostituire le guarnizioni del tubo). Pubblicherò quei piani quando completi.

Passaggio 3: sistema di ripristino: circuito

La logica del paracadute è molto simile ad altri scenari della vita: schierati troppo presto e possono accadere cose brutte; non si distribuisce affatto, accadono cose brutte.

Volevo assicurarmi che il paracadute non si dispiegasse finché il razzo non avesse iniziato a cadere. Dati i componenti che avevo a disposizione, ho scelto di utilizzare un sensore di pressione atmosferica barometrica che fornisce una misurazione accurata dell'altitudine.

L'intero sistema ha bisogno di protezione dagli elementi. Ho progettato il carico utile per ospitare i circuiti e i sensori. Non volevo smontare il tutto ogni volta che volevo attivare o ripristinare il sistema, quindi ho progettato il payload con un interruttore esterno.

Quando il sistema è abilitato, viene eseguita una misurazione iniziale: questo è il nostro "livello del suolo". All'aumentare dell'altitudine del razzo, la nuova altitudine viene salvata e confrontata con la misurazione successiva. Quando il valore salvato è superiore all'altitudine appena misurata, si presume che il razzo stia cadendo.

Quando si lavora con il sistema di recupero a terra, è possibile che il paracadute si dispieghi accidentalmente. Il codice in realtà non considera il razzo "volante" fino a quando l'altitudine misurata non è di almeno 1 metro sopra la misurazione del livello del suolo iniziale presa quando il sistema è stato acceso.

Quando si considera che il razzo sta cadendo, il paracadute viene dispiegato. Questo viene fatto attivando il servo collegato abbastanza lontano da sbloccare la testa dell'irrigatore a comparsa attaccata alle parti stampate in 3D. Certo, la molla dell'irrigatore ha spinto fuori il paracadute dell'ombrello, questo cade a terra, tutti ridono a crepapelle e così via.

Il circuito era composto da tre parti principali:

1. Arduino
2. Servo
3. Sensore di pressione barometrica

Arduino

Inizialmente ho creato una scheda personalizzata con un Arduino ridotto all'osso. Quando ho provato a rianimarlo per questo articolo, ha deciso di smettere di funzionare:

Ho usato un Arduino Pro Mini, ma è un po' eccessivo. È anche molto più grande della versione precedente. La dimensione più grande ha richiesto una riprogettazione di alcune parti stampate in 3D - sono sicuro che ci sono alcune differenze nelle parti rispetto alle foto che ho pubblicato (… scusa per l'incongruenza).

Ho pubblicato il codice in un repository pubblico su Github. Acquista LARS.

Servo

Il fermo è azionato da un comune servo SG90. Il servo riceve la sua alimentazione direttamente dal regolatore di tensione, non attraverso l'Arduino.

Sensore di pressione barometrica

Il particolare breakout che ho usato in questo progetto è stato qualcosa che ho trovato su Tindie (…ma da allora è stato ritirato). Utilizza il sensore MPL3115A2. Ciò fornisce ad Arduino una lettura accurata dell'altitudine attuale.

Passaggio 4: Sistema di ripristino: allegato

Il sistema di recupero include diversi prodotti semplici che probabilmente hai in giro. Ad esempio, il paracadute è costituito da un vecchio ombrello rotto e viene dispiegato con una molla compressa da un irrigatore a scomparsa. Non preoccuparti nemmeno delle piccole cose: ho usato una graffetta per collegare la squadretta del servo al fermo della testa dell'irrigatore. Anche alcune delle materie prime che puoi trovare in posti casuali, come l'estrusione di alluminio che ho trovato in un bidone della buona volontà.

In un altro progetto, ho usato dei pali di recinzione in fibra di vetro al posto dell'alluminio mostrato nelle immagini. La fibra di vetro era in giro da qualche viaggio in backcountry (credo) qualcuno ha preso, sono usati per creare un recinto elettrico improvvisato per i cavalli. Non è molto importante per questo design, ma voglio che tu pensi alle alternative.

Influenze e cambiamenti del design

Sapevo che un giorno avrei condiviso questo design con amici e familiari (… no, non avrei mai pensato che sarebbe stato su Instructables, ah). Ho anche pensato che non tutti avrebbero avuto la stessa marca di acqua di seltz disponibile nel loro negozio locale. Sebbene ci sia spazio per molti miglioramenti, ho modificato il mio design per consentire a bottiglie di varie dimensioni di adattarsi alla parte superiore.

Il modo migliore che potevo pensare per garantire una vestibilità sicura, ma rimovibile, era utilizzare un materiale flessibile. Inserisci: NinjaFlex …il mio onorevole MakerDojo è forte con da ninja dalla mia parte.

Con una stampa a doppia estrusione, potrei creare un pezzo con un fondo rigido e un piano flessibile. La parte flessibile era abbastanza elastica da spremere all'interno della bottiglia e abbastanza forte da applicare la pressione necessaria per mantenere la bottiglia in posizione.

Passaggio 5: sistema di recupero: paracadute

Questa deve essere una delle mie parti preferite del design. Voglio dire, dai, quante volte hai pensato di fluttuare in tutto stile Mary Poppins con un ombrello? È stato divertente vedere finalmente un ombrello funzionare davvero come un paracadute.

Ho trovato un ombrello su un prodotto rotto da DICK'S Sporting Goods - ho offerto loro qualche dollaro e l'hanno preso. Ne ho trovata un'altra mentre mi immergevo tra i cassonetti a Goodwill. Naturalmente, ho trovato un fantastico, vecchio ombrello da golf al Second Use (a Seattle) dopo gli altri due. L'ombrello da golf sarebbe incredibilmente enorme e sarebbe un ottimo paracadute.

Qualunque ombrello tu scelga, assicurati che sia fissato saldamente al tuo razzo. Quando il paracadute si dispiega, a seconda delle dimensioni/peso del tuo razzo, la forza di apertura del paracadute potrebbe essere significativa. Nel mio caso, ho attaccato un pezzo di corda elastica flessibile che avevo (…credo che mia sorella lo stesse gettando via da qualche cosa rotta della rete di carico del bagagliaio). Con quella corda elastica in posizione, riduce la quantità di stress sulle parti in plastica quando viene dispiegato il paracadute.

Passaggio 6: panoramica delle parti stampate in 3D

Salta a…

1. Assemblea completa
2. Sistema di recupero Tuffatore per paracadute Thingy
3. Guida alla compressione del sistema di ripristino
4. Filettatura del payload del sistema di recupero in alto
5. Carico utile del sistema di recupero
6. Adattatore da razzo ad acqua a Gardena

L'Assemblea completa

Questo modello contiene sostanzialmente tutti gli altri modelli, ma assemblato come sarebbe in produzione. Include anche le parti riutilizzabili non stampate in 3D (solo per riferimento).

Sistema di recupero Tuffatore per paracadute Thingy

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Guida alla compressione del sistema di ripristino

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Filettatura del payload del sistema di recupero in alto

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Carico utile del sistema di recupero

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Adattatore da razzo ad acqua a Gardena

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Passaggio 7: concludere

Ci sono molte cose qui che non ho menzionato. Suppongo che più scrivevo, più mi rendevo conto di aver dimenticato di documentare lungo la strada. Questo articolo è finito più come un incrocio tra un "passo dopo passo" completo, ma chiamando tutte le variabili in modo che tu possa provarlo da solo. Per noi, avevamo così tanti progetti e metodi diversi che non hanno funzionato ma hanno presentato nuove opportunità di apprendimento sia per me che per i miei nipoti. È una grande, piccola avventura da intraprendere con i tuoi studenti e qualsiasi altro giovane scienziato in erba.

Tutto sommato, è un fantastico esercizio di riutilizzabilità, creatività e tecnologia, fantastico per i bambini e ancora più divertente per i genitori.

Sii audace, pensa in modo diverso e come sempre fai risaltare le tue idee.

Secondo classificato al concorso sul riutilizzo