Биомимикрия в инженерството
Този урок се фокусира върху концепцията за биомимикрията и учениците научават как инженерите са включили структури и методи от живия свят в продукти и решения за всички индустрии. Учениците работят в екипи, за да разработят структура или система въз основа на пример в природата, който би помогнал на хората, живеещи на Луната.
- Научете за биомимикрията.
- Научете за инженерния дизайн и редизайн.
- Научете за патентите.
- Научете как инженерството може да помогне за решаване на предизвикателствата пред обществото.
- Научете за екипната работа и решаването на проблеми.
Възрастови нива: 8-18
Строителни материали (за всеки екип)
Необходими материали
- Хартия
- Химикалка молив
- Достъп до интернет (по избор, макар и полезен).
Design Challenge
Вие сте част от екип инженери, изправени пред предизвикателството да разработите система или сграда, която да бъде поставена на Луната. Системата или сградата трябва да се основават на продукт или система, открити в природата. Ще изследвате идеи онлайн, след това ще работите като екип, за да разработите скица на вашия дизайн. Ще обмислите и патентоването на идеята си.
Критерии
- Дизайн, който да бъде поставен на Луната.
- Дизайнът трябва да се основава на продукт или система, открити в природата.
Ограничения
- Използвайте само предоставените материали.
- Разбийте класа на екипи от 2-4.
- Раздайте работен лист „Биомимикрия в инженерството“, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
- Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“.
- Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
- Инструктирайте учениците да започнат мозъчна атака и да скицират своите дизайни.
- Предоставете на всеки екип своите материали.
- Обяснете, че учениците трябва да прочетат предоставените им материали. Кажете на учениците да обмислят как природата проектира продукт - като лист. Помолете ги да помислят за функционалността на форми като раковина или палмово листо и как поддържат структурата. Друг момент може да бъде да разгледаме как лотосовият лист натрупва вода ... и да помислим, че малките „косми“ на повърхността на листа окачват водните мъниста.
Ако имат достъп до интернет, помолете учениците да посетят Asknature.org. Трябва да им отнеме известно време, за да проучат различните предизвикателства и решения, които природата може да предложи. Например, те могат да търсят „кислород за съхранение“ или „термити“ или нещо, свързано с това, върху което обмислят да работят. - След това инструктирайте учениците да скицират подробна диаграма, показваща няколко изгледа на тяхната система или сграда, подобно на това, което може да се изисква за патент. Те трябва задължително да изброят материалите, от които може да се нуждаят, и да включат параграф или повече, описващ как работи изобретението им и как е свързано с природата ... какво го прави пример за биомимикрия?
- Обявете времето, необходимо за планиране на дизайна (препоръчително е 1 час).
- Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
- Ученическите екипи представят на класа своите идеи, скици и връзка с биомимикрията.
- Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
- За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.
Отражение на ученика (инженерна тетрадка)
- Кое беше най -интересното използване на биомимикрията, разработено в презентациите на вашия клас? Защо?
- Смятате ли, че вашият дизайн е патентоспособен? Достатъчно ли е уникален, за да бъде одобрен?
- Смятате ли, че вашият продукт, сграда или система ще работят, ако бъдат произведени?
- Смятате ли, че бихте могли да съберете средства, за да платите за производството? Как бихте постъпили за набиране на средства?
- Смятате ли, че много инженери изследват решения от природата в своите изобретения?
- Мислихте ли, че работата като екип прави този проект по -лесен или по -труден? Защо?
Модификация на времето
Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.
Какво е патент?
Патент за изобретение е предоставянето на право на собственост на изобретателя, издадено от държавна служба за патенти и търговски марки. Процедурата за издаване на патенти, изискванията, поставени пред патентопритежателя, и обхватът на изключителните права варират значително в различните държави според националното законодателство и международните споразумения. В Съединените щати срокът на нов патент е 20 години от датата, на която е подадена заявката за патент, или, в специални случаи, от датата на по -ранна свързана заявка, подлежаща на заплащане на такси за поддръжка. Патентите за комунални услуги защитават полезни процеси, машини, изделия и състави от материя. Някои примери: оптични влакна, компютърен хардуер, лекарства. Патентите за дизайн защитават неоторизираното използване на нови, оригинални и декоративни дизайни за изделия за производство. Външният вид на специфична спортна обувка или каска за велосипед е защитен от дизайнерски патенти. Растителните патенти са начинът, по който защитаваме измислените или открити асексуално възпроизведени сортове растения. Хибридни чаени рози, царевица Silver Queen и домати Better Boy са всички видове растителни патенти.
Известни патенти
Безопасна игла: Патентът за „щифта за безопасност“ е издаден на 10 април 1849 г. на Уолтър Хънт, Ню Йорк. Щифтът на Хънт е направен от едно парче тел, което е навито в пружина в единия край и отделна закопчалка и точка в другия край, което позволява точката на жицата да бъде принудена от пружината в закопчалката.
Съдомиялна: Патент за първата практична машина за миене на съдове е издаден на 28 декември 1886 г. на Жозефин Гарис Кохран от Шелбивил, Илинойс. Тя беше богата, често се забавляваше и искаше машина, която може да мие чинии бързо, без да ги счупва. Когато не можеше да намери такъв, тя го построи сама.
Как да регистрирам патент
Всяка страна или понякога регион има свои собствени патентни процедури. Например в Европа съществува Европейското патентно ведомство; в Съединените щати Службата за патенти и търговски марки на САЩ управлява патентния процес. Където и да сте, трябва да проектирате продукта си на хартия или на компютър и конкретно да покажете защо вашият дизайн е различен от другите. Вляво е една от първите рисунки на бутилката Coca Cola, а вдясно е копие на патентния дизайн. Трябва също да проверите дали някой друг вече е измислил това, което смятате, че сте направили! Опитайте да потърсите търговска марка на www.uspto.gov/patents.
Какво е биомимикрия?
Хората винаги са били вдъхновени от природата - и инженерите не са изключение! През историята структурите, системите и материалите, разработени от инженерите, са имали корени в естествените структури, системи и материали. Например, ехолокацията, използвана от прилепите в тъмното, е допринесла за подобрения в технологията на бастун за слепи хора. Други са се обърнали към методите, които бръмбарите използват за извличане на вода от мъгла, или как структурата на лотосово листо може да помогне да се запази влагата далеч от повърхността - това е довело до промяна на повърхността на тъканите в наномащаба, така че те също отблъскват водата. И лентата за гекони имитира храната на гущер от гекон, като включва наноскопични косми. Други инженери са търсили начина, по който термитите за изграждане на кули имат конструкции, предназначени да поддържат постоянна температура в климат с големи температурни колебания. Сградата Eastgate в Хараре, Зимбабве има пасивни, самоохлаждащи се системи, моделирани върху могили от термити. Сградата, смесица от офиси, магазини и паркинг за автомобили, използва средно 90 % по -малко енергия от подобна структура, спестявайки повече от 3.5 милиона долара от откриването си през 1990 -те години.
Как крилата на пеперудите биха могли да намалят банковите измами
Учени и инженери от университета в Кеймбридж наскоро откриха начин да имитират зашеметяващо ярки и красиви цветове, открити на крилата на тропически пеперуди. Констатациите биха могли да имат важни приложения в индустрията за печат на сигурността, като спомогнат за по -трудното фалшифициране на банкноти и кредитни карти. Имитирането на най-цветните, привличащи вниманието повърхности на природата се оказа неуловимо. Това отчасти се дължи на факта, че вместо да разчитат на пигменти, тези цветове се получават чрез отскачане на светлина от микроскопични структури на крилата на насекомите. Матиас Коле, работещ с професор Улрих Щайнер и професор Джереми Баумберг от университета в Кеймбридж, изучава индонезийската пеперуда или лястовича опашка (Papilio blumei) (Изображението вдясно е предоставено от Университета в Кеймбридж), чиито люспи на крилата са съставени от сложни, микроскопични структури, които наподобяват вътрешността на картонена кутия за яйца. Поради формата си и факта, че са изградени от алтернативни слоеве на кутикула и въздух, тези структури произвеждат интензивни цветове. Използвайки комбинация от процедури за нанопроизводство-включително самосглобяване и отлагане на атомен слой-Коле и колегите му направиха структурно идентични копия на люспите на пеперудите и тези копия създадоха същите ярки цветове като крилата на пеперудите. Освен че помага на учените да придобият по -задълбочено разбиране на физиката зад цветовете на тези пеперуди, възможността да ги имитира има обещаващи приложения в защитния печат.
Зимните олимпийски игри в Китай
Структурата на Националния воден център в Пекин, Китай стои върху огромни усукани греди около екстериора, подобни на гнездо. Проектантският екип проучи няколко безброй естествени гнезда, за да разбере модела на тъкане на конците. За дизайна са създадени стотици модели.
- Биомимикрия: Когато хората използват идеи от природата за решаване на проблеми.
- Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
- Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (вижте инфографиката).
- Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми.
- Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
- Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
- Патент: Предоставяне на право на собственост на изобретателя, издадено от Службата за патенти и търговски марки на дадена държава.
- Патентодържател: Изобретател, който получава патент за своето изобретение.
- Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
Интернет връзки
- Попитайте Природата
- esp@cenet - Търсене в Европейското патентно ведомство
- S. Служба за патенти и търговски марки
Препоръчителна четене
- Биомимикрия: Иновации, вдъхновени от природата (ISBN: 978-0060533229)
- Биомиметика: Биологично вдъхновени технологии (ISBN: 978-0849331633)
- Кракът на гекона: Биовдъхновение: Инженеринг на нови материали от природата
(ISBN: 978-0393337976) - Биомимикрия за оптимизация, управление и автоматизация (ISBN: 978-1852338046)
- Как се правят патентни рисунки (ISBN: 978-1413306538)
Писателска дейност
Напишете есе или параграф за един пример за това как инженерите са гледали на природата, за да помогнат за намирането на решения на обществените предизвикателства.
Привеждане в съответствие с учебните програми
Забележка: Всички учебни планове от тази поредица са подравнени с Национални стандарти за научно образование които са изготвени от Националния научноизследователски съвет и одобрени от Националната асоциация на учителите по естествени науки, и ако е приложимо, също и към Стандартите за технологична грамотност на Международната асоциация по технологично образование или Националните съвети на учителите по математика за принципите и стандартите за училищна математика.
Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
- Разбиране за научните изследвания
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ В: Наука за живота
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Характеристики на организмите
- Организми и среда
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ D: Наука за Земята и Космоса
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Свойства на земните материали
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Способности да се прави разлика между природни обекти и обекти, направени от хора
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Наука и технологии в местните предизвикателства
Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
- Разбиране за научното изследване
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ В: Наука за живота
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Структура и функция в живите системи
- Разнообразие и адаптации на организмите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейности в 5-8 клас всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Наука и технологии в обществото
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- История на науката
Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности, необходими за извършване на научни изследвания
- Разбиране за научното изследване
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Структура и свойства на материята
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ В: Наука за живота
В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за
- Материя, енергия и организация в живите системи
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
- Способности за технологичен дизайн
- Разбиране за науката и технологиите
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства
СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката
В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за
- Исторически перспективи
Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти
Природата на технологиите
- Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.
- Стандарт 3: Студентите ще развият разбиране за връзките между технологиите и връзките между технологиите и други области на обучение.
Технология и общество
- Стандарт 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
- Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.
- Стандарт 7: Учениците ще развият разбиране за влиянието на технологиите върху историята.
Дизайн
- Стандарт 8: Студентите ще развият разбиране за характеристиките на дизайна.
- Стандарт 9: Студентите ще развият разбиране за инженерния дизайн.
- Стандарт 10: Студентите ще развият разбиране за ролята на отстраняване на неизправности, изследвания/разработки, изобретения/иновации и експерименти при решаването на проблеми.
Способности за един технологичен свят
- Стандарт 11: Учениците ще развият способности да прилагат процеса на проектиране.
- Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.
Хората винаги са били вдъхновени от природата - и инженерите не са изключение! През историята структурите, системите и материалите, разработени от инженерите, са имали корени в естествените структури, системи и материали. Например, ехолокацията, използвана от прилепите в тъмното, е допринесла за подобрения в технологията на бастун за слепи хора. Други са се обърнали към методите, които бръмбарите използват за извличане на вода от мъгла, или как структурата на лотосово листо може да помогне да се запази влагата далеч от повърхността - това е довело до промяна на повърхността на тъканите в наномащаба, така че те също отблъскват водата. И лентата за гекони имитира храната на гущер от гекон, като включва наноскопични косми. Други инженери са търсили начина, по който термитите за изграждане на кули имат конструкции, предназначени да поддържат постоянна температура в климат с големи температурни колебания. Сградата Eastgate в Хараре, Зимбабве има пасивни, самоохлаждащи се системи, моделирани върху могили от термити. Сградата, смесица от офиси, магазини и паркинг за автомобили, използва средно 90 % по -малко енергия от подобна структура, спестявайки повече от 3.5 милиона долара от откриването си през 1990 -те години.
Как крилата на пеперудите биха могли да намалят банковите измами
Учени и инженери от университета в Кеймбридж наскоро откриха начин да имитират зашеметяващо ярки и красиви цветове, открити на крилата на тропически пеперуди. Констатациите биха могли да имат важни приложения в индустрията за печат на сигурността, като спомогнат за по -трудното фалшифициране на банкноти и кредитни карти. Имитирането на най-цветните, привличащи вниманието повърхности на природата се оказа неуловимо. Това отчасти се дължи на факта, че вместо да разчитат на пигменти, тези цветове се получават чрез отскачане на светлина от микроскопични структури на крилата на насекомите. Матиас Коле, работещ с професор Улрих Щайнер и професор Джереми Баумберг от университета в Кеймбридж, изучава индонезийската пеперуда или лястовича опашка (Papilio blumei) (Изображението вдясно е предоставено от Университета в Кеймбридж), чиито люспи на крилата са съставени от сложни, микроскопични структури, които наподобяват вътрешността на картонена кутия за яйца. Поради формата си и факта, че са изградени от алтернативни слоеве на кутикула и въздух, тези структури произвеждат интензивни цветове. Използвайки комбинация от процедури за нанопроизводство-включително самосглобяване и отлагане на атомен слой-Коле и колегите му направиха структурно идентични копия на люспите на пеперудите и тези копия създадоха същите ярки цветове като крилата на пеперудите. Освен че помага на учените да придобият по -задълбочено разбиране на физиката зад цветовете на тези пеперуди, възможността да ги имитира има обещаващи приложения в защитния печат.
Зимните олимпийски игри в Китай
Структурата на Националния воден център в Пекин, Китай стои върху огромни усукани греди около екстериора, подобни на гнездо. Проектантският екип проучи няколко безброй естествени гнезда, за да разбере модела на тъкане на конците. За дизайна са създадени стотици модели.
Инженерна работа в екип и планиране
Вие сте част от екип инженери, изправени пред предизвикателството да разработите система или сграда, която да се основава на Луната, която се основава на продукт или система, открити в природата. Ще изследвате идеи онлайн, след което ще работите като екип, за да разработите начертана диаграма. Вие също ще обмислите патентоването на вашата идея и ще представите дизайна си на вашия клас.
Фаза на изследване
Прочетете материалите, предоставени ви от вашия учител. Ако имате достъп до интернет, посетете и Asknature.org и отделете малко време, за да проучите различните предизвикателства и решения, които природата може да предложи. Например, можете да потърсите „кислород за съхранение“ или „термити“ или нещо, свързано с това, върху което обмисляте да работите. Вземете идеи, като видите върху какво работят другите.
Фаза на планиране и проектиране
Леонардо да Винчи изучаваше как летят птиците, а също така рисуваше сложни илюстрации на неговите проекти в подготовка за строителство. По същия начин, Джордж де Местрал, швейцарски инженер, пътуващ в Алпите, установи, че много бори от репей се прилепват към дрехите му ... по -късно той изобрети това, което днес е известно като велкро. Но той също трябваше да черпи идеите си, за да получи патент за изобретението си. Можете да видите една страница от неговия патент вдясно. Механизирането на процеса на тъкане на куките отне осем години и отне още една година, за да се създаде станът, който подрязваше бримките, след като ги тъчеше. Отне му около десетилетие, за да създаде механизиран процес, който да работи. Той подава идеята си за патент в Швейцария през 1951 г. и патентът е издаден през 1955 г.
Сега е ваш ред! На отделен лист хартия нарисувайте подробна диаграма, показваща няколко изгледа на вашата система, подобно на това, което може да се изисква за патент. Представете този план на вашия клас. Не забравяйте да посочите материалите, които може да ви трябват, и да включите параграф или повече, описващ как работи вашето изобретение и как е свързано с природата ... какво го прави пример за биомимикрия?
Фаза на представяне
Представете идеите, рисунките и връзката си с Биомимикрията пред класа, пълния лист за размисъл.
Размисъл
Попълнете въпросите за размисъл по -долу:
- Кое беше най -интересното предложение за биомимикрия, разработено в презентациите на вашия клас? Защо?
- Смятате ли, че вашият дизайн е патентоспособен? Достатъчно ли е уникален, за да бъде одобрен?
- Смятате ли, че вашият продукт, сграда или система ще работят, ако бъдат произведени?
- Смятате ли, че бихте могли да съберете средства, за да платите за производството? Как бихте постъпили за набиране на средства?
- Смятате ли, че много инженери изследват решения от природата в своите изобретения?
- Мислихте ли, че работата като екип прави този проект по -лесен или по -труден? Защо?