Projekti näited AR-tööriistade kasutamisest biomimikria hariduses

Projekti näited AR-tööriistade kasutamisest biomimikria õpetamisel

Liitreaalsuse (AR) tööriistad toovad biomimikria haridusse uusi mõõtmeid, pakkudes õpilastele kaasahaaravat ja interaktiivset viisi bioloogiliste põhimõtetega tutvumiseks ning nende tõlkimiseks uuenduslikeks disainilahendusteks. Allpool on toodud näiteid, kuidas AR-tööriistad saavad kohandada ja täiustada varem kasutatud projekte.

Loodusest inspireeritud disain (Biomimikria Instituut, 2009)

^{Joonis 4. Biomimeetika kasutab looduslikke objekte disaini inspiratsioonina}

Selles algtaseme näidisülesandes avastavad õpilased, kuidas insenerid saavad biomimeetikat kasutada oma disainide täiustamiseks. Nad õpivad, kuidas looduse hoolikas jälgimine—justkui looduse detektiiviks olemine—võib viia innovatsioonide ja toodeteni. Selles tegevuses pööravad õpilased lille konstruktsiooni lahti, et ammutada disainiideid uute toodete jaoks.

●   Inseneri seos: Taimed ja loomad on tõepoolest looduse insenerid. Näiteks suudab leht päikeseenergiat koguda tõhusamalt kui meie parimad päikesepaneelid. Miljonite aastate jooksul on taimed ja loomad välja arendanud geniaalseid viise ellujäämiseks Maal. Inseneridena saame loodust kasutada konsultandina, et täiustada olemasolevaid disaine ja tooteid. Loodust uurides võime saada inspiratsiooni ka disainideks, mida pole varem eksisteerinud.

Pärast seda tegevust peaksid õpilased suutma:

●    Selgitada, kuidas biomimeetikat saab kasutada inseneridisaini täiustamiseks.
●    Kirjeldada objekti pöördprojekteerimise protsessi.
●    Selgitada, kuidas meeskonnas ajurünnak võib viia loovamate ideedeni.

Enne tegevust

1. Koguge materjalid.
2. Tehke biomimeetika uurimise töölehe koopiad.
3. Vaadake üle biomimeetika ülaltoodud näited (rohkem näiteid leiate viidete jaotises loetletud ressurssidest).
4. Harjutage lille pöördprojekteerimist, et valmistuda küsimusteks, mida õpilased võivad küsida.

Koos õpilastega

^{Joonis 5. Kaks õpilast pöördprojekteerivad päevalille, © 2009 Colorado Ülikooli regentide poolt}

Täiustatud AR-iga

Tehnoloogiad ja mehhanismid looduses

Süsteemi töö automaatne juhtimine on piiratud, kui kasutatakse lihtsat tarkvara ainult etteantud valikutega. Üha enam tehakse süsteeme nutikaks tehisintellekti abil, kus juhtimisalgoritmid matkivad loodust. Nende süsteemide nutikaks muutmine hõlmab tehisintellekti algoritmide kasutamist, mis pakuvad kriitilisi juhtimisvõimekusi nagu teadmiste kogumine, esitamine ja ümberpaigutamine ebakindluse korral, planeerimine, nägemine, näo ja tunnuste jälgimine, keele töötlemine, kaardistamine ja navigeerimine, loomuliku keele töötlemine ning masinõpe. Üldiselt on tehisintellekt arvutiteaduse haru, mis uurib selliste ülesannete arvutusnõudeid nagu taju, ümberpaigutamine ja õppimine, võimaldades arendada süsteeme, mis suudavad neid võimekusi täita. Inimese kognitsiooni parem mõistmine võimaldab teadlastel üha enam mõista intelligentsuse üldisi nõudeid ning arendada intelligentseid seadmeid, autonoomseid agente ja süsteeme, mis teevad inimestega koostööd nende võimekuse suurendamiseks.

Paljud mehhanismide näited on inspireeritud bioloogia vaatlemisest; siin on toodud mitmeid näiteid.

●        Röövik-tüüpi lineaarmootorid

Bioloogiline röövik on Geometridae sugukonda kuuluvate ööliblikate vastne, kellel on kuus esijalga ja neli tagajalga. Selle vastse liikumismehhanismi jäljendamine viis röövik-tüüpi mootorite ja lineaarsete ajamite väljatöötamiseni. Need kaubanduslikult saadaval olevad mootorid töötavad piesoelektriliste ajamitega (nt Burleigh Instruments). Nad suudavad liikuda kiirusega umbes 2 mm s−1 nanomeetri täpsusega, võimaldades sadade millimeetrite ulatuses liikumist. Nende mootorite jõud võib ulatuda üle 30 N, ilma lõtkuta ja kõrge stabiilsusega. Mitte-magnetiline koostis annab eelise testseadmetes, näiteks magnetresonantstomograafides (MRI). Võrreldes bioloogiliste lihastega, piesoelektrilised röövik-tüüpi mootorid ei tarbi energiat positsiooni hoidmisel.

Röövik-mehhanismidel on palju konfiguratsioone, kuid ühendavaks ajamipõhimõtteks on kahe piduri ja pikendaja kasutamine. Need mootorid teostavad tsüklilisi samme, kus tagumine pidur haarab võlli, pikendaja lükkab esipiduri ettepoole. Seejärel esipidur haarab võlli, vabastab tagumise piduri ja tõmbab pikendaja tagasi, liikudes ühe sammu võrra edasi – see samm võib olla nii väike kui 1 nm.

^{Joonis 6. (a) päris röövik, (b) rööviku külgvaade ja (c) selle peamiste lihasstruktuuride joonis. Autor: Wang jt. ©2014 IOP Publishing}

Tegelikult uurivad õpilased projektina, kuidas rööviku liikumine inspireeris piesoelektrilisi mootoreid, mõistes selle liikumise põhimõtteid, efektiivsust ja praktilisi rakendusi seadmetes nagu MRI süsteemid.

AR-ga täiustatud fookus

AR-i kasutades saavad õpilased:

1. Visualiseerida rööviku liikumise biomehaanikat 3D-s.
2. Simuleerida, kuidas piesoelektrilised ajamid matkivad seda liikumist lineaarmootorites.
3. Prototüüpida virtuaalselt bioloogilistest lahendustest inspireeritud mootoridisainid, testides nende funktsionaalsust ja efektiivsust.
   

• Pumpamismehhanismid

Looduse pumpamismehhanismid pakuvad suurepärast mudelit vedeliku- ja gaasipumpadele. Loodus kasutab mitmesuguseid pumpamismehhanisme, mida kasutatakse ka mehaanilistes pumpades. Kopsud pumpavad õhku sisse ja välja (tidal pumping) diafragma abil, mis võimaldab hingamist koos roietevaheliste lihaste toetusega. Peristaltiline pumpamine on üks levinumaid pumpamisviise bioloogilistes süsteemides, kus vedelikke surutakse soovitud suunas. Selline pumpamine on tavaline seedesüsteemis. Pumpamine ventiilide ja kambrite abil, mis muudavad mahtu, esineb inimese ja loomade südametes, kambrite laienemise ja kokkutõmbumisega. Ühesuunaliste ventiilide kasutamine on võtmetähtsusega verevoolus veenides, kus rõhk on madalam.

^{Joonis 7. Tidal pump, https://www.slideshare.net}

Seda mehhanismi käsitledes õpilaste projektina, uurivad õpilased looduslikke pumpamismehhanisme, nagu inimese süda või peristaltika seedesüsteemis.

AR-ga täiustatud:

• Kasutada AR-tööriistu nagu Merge Cube, et luua interaktiivseid 3D mudeleid bioloogilistest pumpadest, võimaldades õpilastel uurida nende anatoomiat ja funktsionaalsust.
• Simulatsioonid võivad demonstreerida vedeliku dünaamikat, illustre