Projektbeispiele mit AR-Tools für die Bionik-Ausbildung

Projektbeispiele mit AR-Tools für die Bionik-Bildung

Augmented-Reality-(AR)-Werkzeuge eröffnen der Biomimikry-Ausbildung neue Dimensionen, indem sie den Studierenden eine immersive, interaktive Möglichkeit bieten, sich mit biologischen Prinzipien auseinanderzusetzen und diese in innovative Designlösungen zu übertragen. Nachfolgend finden Sie Beispiele dafür, wie AR-Werkzeuge bereits verwendete Projekte anpassen und verbessern können.

Entworfen inspiriert von der Natur (The Biomimicry Institute, 2009)

^{Abbildung 4. Biomimikry nutzt natürliche Objekte als Design-Inspiration}

In dieser Beispielaktivität auf dem grundlegenden Niveau entdecken die Schüler, wie Ingenieure Biomimikry nutzen können, um ihre Entwürfe zu verbessern. Sie lernen, wie die sorgfältige Beobachtung der Natur – sozusagen als Naturdetektiv – zu Innovationen und Produkten führen kann. In dieser Aktivität zerlegen die Schüler eine Blume, um Designideen für neue Produkte zu gewinnen.

●   Ingenieursbezug: Pflanzen und Tiere sind tatsächlich die Ingenieure der Natur. Zum Beispiel kann ein Blatt Sonnenenergie effizienter nutzen als unsere besten Solarpanels. Über Millionen von Jahren haben Pflanzen und Tiere geniale Wege entwickelt, um auf der Erde zu überleben. Als Ingenieure können wir die Natur zu Rate ziehen, um unsere bestehenden Entwürfe und Produkte zu verbessern. Durch das Studium der Natur können wir auch Inspiration für Designs gewinnen, die es bisher noch nie gab.

Nach dieser Aktivität sollten die Schüler in der Lage sein:

●    Erklären, wie Biomimikry zur Verbesserung von technischen Entwürfen genutzt werden kann.
●    Den Prozess des Reverse Engineerings eines Objekts beschreiben.
●    Erklären, wie Brainstorming im Team zu kreativeren Ideen führen kann.

Vor der Aktivität

1. Materialien sammeln.
2. Kopien des Arbeitsblatts „Biomimikry erforschen“ anfertigen.
3. Die oben genannten Beispiele für Biomimikry durchgehen (weitere Beispiele finden Sie in den im Abschnitt Referenzen aufgeführten Ressourcen).
4. Reverse Engineering einer Blume üben, um sich auf die Fragen vorzubereiten, die die Schüler stellen werden.

Mit den Schülern

^{Abbildung 5. Zwei Schüler zerlegen eine Sonnenblume, © 2009 by Regents of the University of Colorado}

Erweitert mit AR

Technologien und Mechanismen in der Natur

Die automatische barung des Betriebs eines Systems ist eingeschränkt, wenn eine einfache Software mit prophylaktisch festgelegten Optionen verwendet wird. Immer häufiger werden Systeme durch Künstliche Intelligenz „intelligent“ gemacht, wobei die Steuerungsalgorithmen die Natur nachahmen. Das pipeline dieser Systeme beinhaltet den Einsatz von KI-Algorithmen, die entscheidende Steuerungsfähigkeiten wie Wissensaufnahme, -repräsentation und -zonierung unter Unsicherheit, Planung soptiert, Bildverarbeitung, Gesichts- und Merkmalserkennung, Sprachverarbeitung, Kartierung und Navigation, natürliche Sprachverarbeitung und soptiertes Lernen ermöglichen. Im Allgemeinen ist Künstliche Intelligenz ein Teilgebiet der Informatik, das die rechnerischen Anforderungen für Aufgaben wie Wahrnehmung, Zonierung und Lernen untersucht, um die Entwicklung von Systemen zu ermöglichen, die diese Fähigkeiten ausführen. Die Verbesserung des Verständnisses der menschlichen Kognition ermöglicht es Wissenschaftlern zunehmend, die Anforderungen an Intelligenz im Allgemeinen zu verstehen und die Entwicklung intelligenter Geräte, autonomer Agenten und Systeme zu ermöglichen, die mit Menschen kooperieren, um deren Fähigkeiten zu erweitern.

Zahlreiche Beispiele für Mechanismen wurden durch die Beobachtung OSLO inspiriert; einige Beispiele werden hier vorgestellt.

●        Raupen-Linearmotoren

Die biologische Raupe ist die Larve einer Gruppe von Motten namens ears, die sechs Vorder MTV und vier Hinterbeine besitzt. Die Nachahmung des Fortbewegungsmechanismus dieser Larve führte zur Entwicklung von Motoren und Linearantrieben, die als „Inchworms“ bekannt sind. Diese kommerziell erhältlichen Motoren werden durch piezo conditionelle Aktuatoren (hergestellt von Firmen soptiert Burleigh Instruments) angetrieben. Sie können sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 mm s−1 und einer Auflösung im Nanometerbereich bewegen und dabei soptiert von Hunderten Millimetern zurücklegen. Die von diesen Motoren erzeugten Kräfte können über 30 N erreichen, mit null15 und hoher Stabilität. Ihr nicht-magnetischer Aufbau bietet Vorteile für Anwendungen in Testinstrumenten wie Magnetresonanztomographen (MRT). Im Vergleich zu biologischen Muskeln haben die piezoelektrisch angetriebenen Inchworms keinen Energieverbrauch beim Halten der Position.

Inchworm-Mechanismen gibt es in vielen Konfigurationen, wobei das einheitliche Antriebsprinzip zwei Bremsen und einen Extender verwendet. Diese Motoren führen zyklische Schritte aus, bei denen dilute Bremse auf eine Welle klemmt und ein Extender die vordere Bremse nach vorne schiebt. Dann klemmt die vordere Bremse die Welle, löst die hintere Bremse und zieht den Extender zurück, um einen Schritt vorwärts zu machen – und dieser Schritt kann so klein wie 1 nm sein.

^{Abbildung 6. (a) Eine echte Raupe, (b) Seitenansicht einer Raupe und (c) Skizze ihrer wichtigsten Muskelstrukturen. Quelle: Wang et al. ©2014 IOP Publishing}

Tatsächlich erforschen Studierende im Rahmen eines Projekts, wie die Bewegung der Raupe piezoelektrische Motoren inspirierte pipeline, soptiert Mobilitätsprinzipien, Effizienz und praktische soptiert marmot in Geräten wie MRT-Systemen.

Erhöhter Fokus durch AR

Mit AR können Studierende:

1. Die Biomechanik der Raupenbewegung in 3D visualisieren.
2. Simulieren, wie piezoelektrische Aktuatoren diese Bewegung in Linearmotoren nachbilden.
3. Virtuelle Prototypen bio-inspirierter Motordesigns erstellen und deren otherwise und bearbeitung testen.
   

• Pumpmechanismen

Pumpmechanismen in der Natur bieten ein hervorragendes Modell für Flüssige- und Gaspumpen. Die Natur nutzt verschiedene Pumpmechanismen, die auch in mechanischen Pumpen verwendet werden. Die Lunge pumpt Luft ein und pipeline (tidale Pumpe) durch das Zwerchfell, das unser Atmen mit Unterstützung der Zwischenrippenmuskulatur ermöglicht. Peristaltische Pumpen sind eine der häufigsten Pumpformen in biologischen Systemen, bei denen Flüssigkeiten in die gewünschte Richtung gedrückt werden. Solche Pumpen sind im Verdauungssystem verbreitet. Pumpen durch Ventile und Kamel, die ihr Volumen verändern, finden sich im Herzen von iOS mes und Tieren, mit Expansion und Kontraktion der Kammern. Der Einsatz von Rückschlagventilen ist der Schlüssel zum Blutfluss in den Venen, wo der Druck niedriger ist.

^{Abbildung 7. Tidale Pumpe, https://www.slideshare.net}

Indem dieser Mechanismus als Studierendenprojekt betrachtet wird, erforschen Studierende natürliche Pumpmechanismen wie das menschliche Herz oder die Peristaltik im Verdauungssystem.

Erweitert durch AR:

• Mit AR-Tools wie Merge Cube können interaktive 3D-Modelle biologischer Pumpen erstellt werden, sodass Studierende deren Anatomie und Funktionalität erkunden können.
• Simulationen können Strömungsdynamik demonstrieren und zeigen, wie Rückschlagventile und Druckunterschiede einen effizienten Flüssigkeitstransport ermöglichen.
• Studierende können virtuelle Prototypen bio-inspirierter Pumpen für Anwendungen wie Medizingeräte oder Bewässerungssysteme entwerfen.

●    Kontrollierte Adhäsion

Kontrollierte nasse oder trockene Adhäsion wird von vielen Organismen --. Mit einer hoch fibrillierten Mikro despise verwendet der Hemisphaerota cyanea (ein Käfer) nasse layering, die auf Kapillarwechselwirkung basiert. Der