Παραδείγματα Έργων με Χρήση Εργαλείων Επαυξημένης Πραγματικότητας για την Εκπαίδευση στη Βιομιμητική

Παραδείγματα Έργων Χρησιμοποιώντας Εργαλεία Επαυξημένης Πραγματικότητας για την Εκπαίδευση στη Βιομιμητική

Τα εργαλεία Επαυξημένης Πραγματικότητας (AR) προσδίδουν νέες διαστάσεις στην εκπαίδευση της βιομιμητικής, προσφέροντας στους μαθητές έναν εμβυθιστικό, διαδραστικό τρόπο να ασχοληθούν με βιολογικές αρχές και να τις μεταφράσουν σε καινοτόμες σχεδιαστικές λύσεις. Παρακάτω παρουσιάζονται παραδείγματα για το πώς τα εργαλεία AR μπορούν να προσαρμόσουν και να ενισχύσουν έργα που έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν.

Σχεδιασμένο με Έμπνευση από τη Φύση (The Biomimicry Institute, 2009)

^{Σχήμα 4. Η βιομιμητική χρησιμοποιεί φυσικά αντικείμενα ως έμπνευση για το σχεδιασμό}

Σε αυτή τη δραστηριότητα βασικού επιπέδου, οι μαθητές ανακαλύπτουν πώς οι μηχανικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη βιομιμητική για να βελτιώσουν τα σχέδιά τους. Μαθαίνουν πώς η προσεκτική παρατήρηση της φύσης—γίνοντας, κατά κάποιο τρόπο, ντετέκτιβ της φύσης—μπορεί να οδηγήσει σε καινοτομίες και προϊόντα. Σε αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές αποσυναρμολογούν ένα λουλούδι για να αντλήσουν ιδέες σχεδιασμού για νέα προϊόντα.

●   Σύνδεση με τη μηχανική: Τα φυτά και τα ζώα είναι πράγματι οι μηχανικοί της φύσης. Για παράδειγμα, ένα φύλλο μπορεί να αξιοποιήσει την ηλιακή ενέργεια πιο αποδοτικά από τα καλύτερα ηλιακά πάνελ μας. Για εκατομμύρια χρόνια, τα φυτά και τα ζώα έχουν αναπτύξει ευρηματικούς τρόπους για να επιβιώσουν στη Γη. Ως μηχανικοί, μπορούμε να συμβουλευτούμε τη φύση για να βελτιώσουμε τα υπάρχοντα σχέδια και προϊόντα μας. Μελετώντας τη φύση, μπορούμε επίσης να αντλήσουμε έμπνευση για σχέδια που δεν υπήρξαν ποτέ πριν.

Μετά από αυτή τη δραστηριότητα, οι μαθητές θα πρέπει να μπορούν να:

●    Εξηγούν πώς η βιομιμητική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση του σχεδιασμού στη μηχανική.
●    Περιγράφουν τη διαδικασία της αντίστροφης μηχανικής ενός αντικειμένου.
●    Εξηγούν πώς η καταιγιστική ιδεών σε μια ομάδα μπορεί να οδηγήσει σε πιο δημιουργικές ιδέες.

Πριν τη δραστηριότητα

1. Συγκεντρώστε τα υλικά.
2. Κάντε φωτοτυπίες του φύλλου εργασίας "Εξερευνώντας τη Βιομιμητική".
3. Επαναλάβετε τα παραπάνω παραδείγματα βιομιμητικής (περισσότερα παραδείγματα μπορείτε να βρείτε μέσω των πηγών που αναφέρονται στην ενότητα Αναφορές).
4. Εξασκηθείτε στην αντίστροφη μηχανική ενός λουλουδιού για να προετοιμαστείτε για τους τύπους ερωτήσεων που θα κάνουν οι μαθητές.

Με τους μαθητές

^{Σχήμα 5. Δύο μαθητές εφαρμόζουν αντίστροφη μηχανική σε ένα ηλιοτρόπιο, © 2009 από τους Regents του Πανεπιστημίου του Κολοράντο}

Ενισχυμένο με AR

Τεχνολογίες και Μηχανισμοί στη φύση

Ο αυτόματος έλεγχος της λειτουργίας ενός συστήματος είναι περιορισμένος όταν χρησιμοποιείται ένα απλό λογισμικό με μόνο προκαθορισμένες επιλογές. Όλο και περισσότερο, τα συστήματα γίνονται «έξυπνα» με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης, όπου οι αλγόριθμοι ελέγχου μιμούνται τη φύση. Η ενίσχυση αυτών των συστημάτων περιλαμβάνει τη χρήση αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης που παρέχουν κρίσιμες δυνατότητες ελέγχου όπως καταγραφή γνώσης, αναπαράσταση και αναζώνη υπό αβεβαιότητα, σχεδιασμό, όραση, παρακολούθηση προσώπου και χαρακτηριστικών, επεξεργασία γλώσσας, χαρτογράφηση και πλοήγηση, επεξεργασία φυσικής γλώσσας και μηχανική μάθηση. Γενικά, η τεχνητή νοημοσύνη είναι ένας κλάδος της επιστήμης των υπολογιστών που μελετά τις υπολογιστικές απαιτήσεις για εργασίες όπως αντίληψη, αναζώνη και μάθηση, επιτρέποντας την ανάπτυξη συστημάτων που εκτελούν αυτές τις δυνατότητες. Η βελτίωση της κατανόησης της ανθρώπινης γνωστικής λειτουργίας επιτρέπει στους επιστήμονες να κατανοήσουν τις απαιτήσεις για τη νοημοσύνη γενικά και να αναπτύξουν έξυπνες συσκευές, αυτόνομους πράκτορες και συστήματα που συνεργάζονται με τους ανθρώπους για την ενίσχυση των ικανοτήτων τους.

Πολλά παραδείγματα μηχανισμών έχουν εμπνευστεί από την παρατήρηση της βιολογίας· μερικά παραδείγματα δίνονται εδώ.

●        Γραμμικοί κινητήρες inchworm

Ο βιολογικός inchworm είναι μια κάμπια μιας ομάδας σκώρων που ονομάζεται Geometridae, η οποία έχει έξι μπροστινά πόδια και τέσσερα πίσω πόδια. Η μίμηση του μηχανισμού κινητικότητας αυτής της κάμπιας οδήγησε στην ανάπτυξη κινητήρων και γραμμικών ενεργοποιητών γνωστών ως inchworms. Αυτοί οι εμπορικά διαθέσιμοι κινητήρες κινούνται από πιεζοηλεκτρικούς ενεργοποιητές (κατασκευασμένους από εταιρείες όπως η Burleigh Instruments). Μπορούν να κινηθούν με ταχύτητα περίπου 2 mm s−1 με ανάλυση σε νανομέτρα ενώ παρέχουν εκατοντάδες χιλιοστά διαδρομής. Οι δυνάμεις που παράγονται από αυτούς τους κινητήρες μπορούν να φτάσουν πάνω από 30 N με μηδενικό backlash και υψηλή σταθερότητα. Το μη μαγνητικό περιεχόμενό τους προσφέρει πλεονεκτήματα για εφαρμογές σε όργανα δοκιμών όπως οι μαγνητικοί τομογράφοι (MRI). Σε σύγκριση με τους βιολογικούς μύες, οι πιεζοηλεκτρικοί inchworms έχουν μηδενική απώλεια ισχύος όταν κρατούν θέση.

Οι μηχανισμοί inchworm έχουν πολλές διαμορφώσεις όπου η ενιαία αρχή κίνησης χρησιμοποιεί δύο φρένα και έναν επεκτατή. Αυτοί οι κινητήρες εκτελούν κυκλικά βήματα όπου το πίσω φρένο πιάνει έναν άξονα και ο επεκτατής ωθεί το μπροστινό φρένο προς τα εμπρός. Στη συνέχεια, το μπροστινό φρένο πιάνει τον άξονα, απελευθερώνει το πίσω φρένο και ο επεκτατής συρρικνώνεται για να μετακινηθεί ένα βήμα προς τα εμπρός, και αυτό το βήμα μπορεί να είναι τόσο μικρό όσο 1 nm.

^{Σχήμα 6. (α) Ένα πραγματικό inchworm, (β) πλευρική όψη σκίτσου ενός inchworm και (γ) σκίτσο των κύριων μυϊκών δομών του. Πηγή: Wang, et al. ©2014 IOP Publishing}

Στην πραγματικότητα, ως έργο για τους μαθητές, εξερευνούν πώς η κίνηση του inchworm ενέπνευσε τους πιεζοηλεκτρικούς κινητήρες, κατανοώντας τις αρχές κινητικότητας, αποδοτικότητας και πρακτικών εφαρμογών σε συσκευές όπως τα συστήματα MRI.

Ενισχυμένη Εστίαση με AR

Χρησιμοποιώντας AR, οι μαθητές μπορούν:

1. Να οπτικοποιήσουν τη βιομηχανική της κίνησης του inchworm σε 3D.
2. Να προσομοιώσουν πώς οι πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές αναπαράγουν αυτή την κίνηση σε γραμμικούς κινητήρες.
3. Να δημιουργήσουν πρωτότυπα βιο-εμπνευσμένων σχεδίων κινητήρων εικονικά, δοκιμάζοντας τη λειτουργικότητα και την αποδοτικότητά τους.
   

• Μηχανισμοί άντλησης

Οι μηχανισμοί άντλησης στη φύση προσφέρουν ένα εξαιρετικό μοντέλο για συσκευές άντλησης υγρών και αερίων. Η φύση χρησιμοποιεί διάφορους μηχανισμούς άντλησης που χρησιμοποιούνται επίσης σε μηχανικές αντλίες. Οι πνεύμονες αντλούν αέρα μέσα και έξω (παλμική άντληση