Biomimetismo en Ingeniería
Esta lección se enfoca en el concepto de biomimetismo y los estudiantes aprenden cómo los ingenieros han incorporado estructuras y métodos del mundo viviente en productos y soluciones para todas las industrias. Los estudiantes trabajan en equipos para desarrollar una estructura o sistema basado en un ejemplo de la naturaleza que ayudaría a las personas que viven en la luna.
- Aprenda sobre biomimetismo.
- Aprenda sobre diseño y rediseño de ingeniería.
- Obtenga más información sobre las patentes.
- Aprenda cómo la ingeniería puede ayudar a resolver los desafíos de la sociedad.
- Aprenda sobre el trabajo en equipo y la resolución de problemas.
Rangos de Edad: Rinde de 8 a 18 porciones
Materiales de Construcción (para cada equipo)
Materiales Requeridos
- Papel
- Pluma lapiz
- Acceso a Internet (opcional, aunque útil).
Reto de Diseño
Formas parte de un equipo de ingenieros al que se enfrenta el desafío de desarrollar un sistema o edificio que se colocará en la luna. El sistema o edificio debe basarse en un producto o sistema que se encuentre en la naturaleza. Investigarás ideas en línea y luego trabajarás en equipo para desarrollar un boceto de tu diseño. También considerará patentar su idea.
Criterios
- Diseño para colocar en la luna.
- El diseño debe basarse en un producto o sistema que se encuentre en la naturaleza.
Limitaciones
- Utilizar solo los materiales proporcionados.
- Divida la clase en equipos de 2-4.
- Reparta la hoja de trabajo Biomimetismo en ingeniería, así como algunas hojas de papel para dibujar diseños.
- Discutan los temas de la sección Conceptos Básicos.
- Revise el Proceso de Diseño de Ingeniería, el Desafío de Diseño, los Criterios, las Limitaciones y los Materiales.
- Indique a los estudiantes que comiencen a hacer una lluvia de ideas y esbozar sus diseños.
- Proporcione a cada equipo sus materiales.
- Explique que los estudiantes deben leer los materiales que se les proporcionen. Indique a los estudiantes que consideren cómo la naturaleza diseña un producto, como una hoja. Pídales que piensen en la funcionalidad de formas como una caracola o una hoja de palma, y cómo soportan la estructura. Otro punto podría ser mirar cómo una hoja de loto gotea agua ... y considerar que son los diminutos “pelos” en la superficie de la hoja los que suspenden las gotas de agua.
Si tienen acceso a Internet, pida a los estudiantes que visiten Asknature.org. Deben tomarse un tiempo para explorar los diversos desafíos y soluciones que la naturaleza tiene para ofrecer. Por ejemplo, pueden buscar "almacenar oxígeno" o "termitas" o cualquier cosa relacionada con lo que están considerando trabajar. - Luego, pida a los estudiantes que dibujen un diagrama detallado que muestre varias vistas de su sistema o edificio, similar a lo que se podría requerir para una patente. Deben asegurarse de enumerar los materiales que podrían necesitar e incluir un párrafo o más que describa cómo funciona su invención y cómo se relaciona con la naturaleza ... ¿qué lo convierte en un ejemplo de biomimetismo?
- Anuncie la cantidad de tiempo que tienen para planificar su diseño (se recomienda 1 hora).
- Utilice un temporizador o un cronómetro en línea (función de cuenta atrás) para asegurarse de mantener el tiempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dé a los estudiantes “avisos de tiempo” regulares para que se mantengan concentrados. Si tienen dificultades, hágales preguntas que los llevarán a una solución más rápido.
- Los equipos de estudiantes presentan sus ideas, bocetos y conexión con Biomimetismo a la clase.
- Como clase, discuta las preguntas de reflexión de los estudiantes.
- Para obtener más contenido sobre el tema, consulte la sección "Explora Más."
Reflexión Estudiantil (cuaderno de ingeniería)
- ¿Cuál fue el uso propuesto más interesante de biomimetismo que se desarrolló en las presentaciones de su clase? ¿Por qué?
- ¿Crees que tu diseño es patentable? ¿Es lo suficientemente único como para ser aprobado?
- ¿Cree que su producto, edificio o sistema funcionaría si se fabricara?
- ¿Crees que podrías recaudar fondos para pagar la fabricación? ¿Cómo haría para recaudar fondos?
- ¿Crees que muchos ingenieros exploran soluciones de la naturaleza en sus inventos?
- ¿Pensaste que trabajar en equipo facilitaba o dificultaba este proyecto? ¿Por qué?
Modificación de Tiempo
La lección se puede realizar en tan solo 1 período de clase para estudiantes mayores. Sin embargo, para ayudar a los estudiantes a no sentirse apresurados y asegurar el éxito de los estudiantes (especialmente para los estudiantes más jóvenes), divida la lección en dos períodos para que los estudiantes tengan más tiempo para intercambiar ideas, probar ideas y finalizar su diseño. Realice las pruebas y el informe en el próximo período de clases.
¿Qué es una patente?
Una patente para una invención es la concesión de un derecho de propiedad al inventor, emitido por la Oficina de Patentes y Marcas de un país. El procedimiento para la concesión de patentes, los requisitos que se imponen al titular de la patente y el alcance de los derechos exclusivos varían ampliamente entre países de acuerdo con las leyes nacionales y los acuerdos internacionales. En los Estados Unidos, el plazo de una nueva patente es de 20 años a partir de la fecha en que se presentó la solicitud de patente o, en casos especiales, desde la fecha en que se presentó una solicitud anterior relacionada, sujeto al pago de tasas de mantenimiento. Las patentes de utilidad protegen procesos, máquinas, artículos manufacturados y composiciones de materia útiles. Algunos ejemplos: fibra óptica, hardware informático, medicamentos. Las patentes de diseño protegen el uso no autorizado de diseños nuevos, originales y ornamentales para artículos manufacturados. El aspecto de un calzado deportivo específico o un casco de bicicleta está protegido por patentes de diseño. Las patentes de plantas son la forma en que protegemos las variedades de plantas inventadas o descubiertas reproducidas asexualmente. Las rosas de té híbridas, el maíz Silver Queen y los tomates Better Boy son todos tipos de patentes de plantas.
Patentes famosas
Pin de seguridad: La patente del “imperdible” fue expedida el 10 de abril de 1849 a Walter Hunt, de Nueva York. El pasador de Hunt estaba hecho de un trozo de alambre, que estaba enrollado en un resorte en un extremo y un broche y una punta separados en el otro extremo, lo que permitía que la punta del alambre fuera forzada por el resorte dentro del broche.
Lavavajillas: El 28 de diciembre de 1886 se concedió una patente para la primera lavadora de platos práctica a Josephine Garis Cochran de Shelbyville, Illinois. Ella era rica, se entretenía a menudo y quería una máquina que pudiera lavar los platos rápidamente y sin romperlos. Cuando no pudo encontrar uno, lo construyó ella misma.
Cómo registrar una patente
Cada país, o en ocasiones una región, tiene sus propios procedimientos de patentes. Por ejemplo, en Europa, existe la Oficina Europea de Patentes; en los Estados Unidos, la Oficina de Patentes y Marcas Registradas de los Estados Unidos administra el proceso de patentes. Estés donde estés, debes diseñar tu producto en papel o en una computadora y mostrar específicamente por qué tu diseño es diferente a los demás. A la izquierda está uno de los primeros dibujos de la botella de Coca Cola, y a la derecha, una copia del diseño de la patente. ¡También debes verificar si alguien más ya ha inventado lo que crees que hiciste! Intente buscar una marca comercial en www.uspto.gov/patents.
¿Qué es la biomimetización?
La gente siempre se ha inspirado en la naturaleza, ¡y los ingenieros no son una excepción! A lo largo de la historia, las estructuras, sistemas y materiales desarrollados por ingenieros han tenido sus raíces en estructuras, sistemas y materiales naturales. Por ejemplo, la ecolocalización utilizada por los murciélagos en la oscuridad ha contribuido a mejorar la tecnología del bastón para las personas ciegas. Otros han estudiado los métodos que usan los escarabajos para extraer agua de la niebla, o cómo la estructura de una hoja de loto puede ayudar a mantener la humedad alejada de la superficie; esto ha llevado a cambiar la superficie de las telas a nanoescala para que también repelan el agua. Y la cinta de gecko imita la alimentación de un lagarto gecko al incluir pelos nanoscópicos. Otros ingenieros han estudiado la forma en que las termitas de construcción de torres tienen estructuras diseñadas para mantener una temperatura constante en climas con grandes variaciones de temperatura. El edificio Eastgate en Harare, Zimbabwe, tiene sistemas pasivos de autoenfriamiento modelados en montículos de termitas. El edificio, una mezcla de oficinas, tiendas y estacionamiento, usa un promedio de 90% menos de energía que una estructura comparable, ahorrando más de $ 3.5 millones desde su apertura en la década de 1990.
Cómo las alas de las mariposas podrían reducir el fraude bancario
Los científicos e ingenieros de la Universidad de Cambridge descubrieron recientemente una forma de imitar los colores asombrosamente brillantes y hermosos que se encuentran en las alas de las mariposas tropicales. Los hallazgos podrían tener aplicaciones importantes en la industria de la impresión de seguridad, lo que ayudaría a hacer que los billetes de banco y las tarjetas de crédito sean más difíciles de falsificar. Imitar las superficies más coloridas y llamativas de la naturaleza ha resultado difícil de alcanzar. Esto se debe en parte a que, en lugar de depender de los pigmentos, estos colores son producidos por la luz que rebota en las estructuras microscópicas de las alas de los insectos. Mathias Kolle, en colaboración con el profesor Ullrich Steiner y el profesor Jeremy Baumberg de la Universidad de Cambridge, estudió la mariposa pavo real o cola de golondrina de Indonesia (Papilio blumei) (la imagen de la derecha es cortesía de la Universidad de Cambridge), cuyas alas se componen de escamas intrincadas y microscópicas. estructuras que se asemejan al interior de un cartón de huevos. Por su forma y por estar formadas por capas alternas de cutícula y aire, estas estructuras producen colores intensos. Usando una combinación de procedimientos de nanofabricación, incluido el autoensamblaje y la deposición de la capa atómica, Kolle y sus colegas hicieron copias estructuralmente idénticas de las escamas de las mariposas, y estas copias produjeron los mismos colores vivos que las alas de las mariposas. Además de ayudar a los científicos a obtener una comprensión más profunda de la física detrás de los colores de estas mariposas, poder imitarlas tiene aplicaciones prometedoras en la impresión de seguridad.
Juegos Olímpicos de Invierno de China
La estructura del Centro Acuático Nacional en Beijing, China se levanta sobre enormes vigas retorcidas alrededor del exterior, similar a un nido. El equipo de diseño estudió algunos nidos naturales innumerables para comprender el patrón de tejido de los hilos. Se crearon algunos cientos de modelos para el diseño.
- Biomimetismo: cuando las personas usan ideas de la naturaleza para resolver problemas.
- Criterios: Condiciones que debe satisfacer el diseño como su tamaño total, etc.
- Ingenieros: inventores y solucionadores de problemas del mundo. Se reconocen veinticinco especialidades principales en ingeniería (ver infografía).
- Proceso de diseño de ingeniería: los ingenieros de procesos utilizan para resolver problemas.
- Hábitos de la mente de ingeniería (EHM): Seis formas únicas en que piensan los ingenieros.
- Iteración: Probar y rediseñar es una iteración. Repetir (múltiples iteraciones).
- Patente: La concesión de un derecho de propiedad al inventor, emitida por la Oficina de Patentes y Marcas de un país.
- Patente: Inventor que recibe una patente por su invención.
- Prototipo: Modelo funcional de la solución a probar.
Enlaces a Internet
- Pregunte a la naturaleza
- esp @ cenet - Búsqueda en la Oficina Europea de Patentes
- S. Oficina de Patentes y Marcas
Lectura Recomendada
- Biomimetismo: Innovación inspirada por la naturaleza (ISBN: 978-0060533229)
- Biomimética: tecnologías inspiradas biológicamente (ISBN: 978-0849331633)
- El pie del gecko: bioinspiración: ingeniería de nuevos materiales de la naturaleza
(ISBN: 978-0393337976) - Biomimetismo para optimización, control y automatización (ISBN: 978-1852338046)
- Cómo hacer dibujos de patentes (ISBN: 978-1413306538)
Actividad de Escritura
Escriba un ensayo o un párrafo sobre un ejemplo de cómo los ingenieros han mirado a la naturaleza para ayudar a encontrar soluciones a los desafíos sociales.
Alineación con los marcos curriculares
Nota: Todos los planes de lecciones de esta serie están alineados con el Estándares Nacionales de Educación Científica que fueron producidos por el Consejo Nacional de Investigación y respaldados por la Asociación Nacional de Maestros de Ciencias y, si corresponde, también a los Estándares de Alfabetización Tecnológica de la Asociación Internacional de Educación Tecnológica o los Principios y Estándares para Matemáticas Escolares del Consejo Nacional de Maestros de Matemáticas.
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados K-4 (edades 4-9)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
- Comprensión de la investigación científica
ESTÁNDAR DE CONTENIDO C: Ciencias de la vida
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Las características de los organismos.
- Organismos y ambientes
ESTÁNDAR DE CONTENIDO D: Ciencias de la Tierra y el Espacio
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de
- Propiedades de los materiales terrestres
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Habilidades para distinguir entre objetos naturales y objetos hechos por humanos.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Ciencia y tecnología en desafíos locales
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (10-14 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
- Comprensión de la investigación científica
ESTÁNDAR DE CONTENIDO C: Ciencias de la vida
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Estructura y función en sistemas vivos
- Diversidad y adaptaciones de organismos.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades en los grados 5-8, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Ciencia y tecnología en la sociedad
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Historia de la ciencia
Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 9-12 (14-18 años)
ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
- Comprensión de la investigación científica
ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Estructura y propiedades de la materia.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO C: Ciencias de la vida
Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Materia, energía y organización en los sistemas vivos
ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar
- Habilidades de diseño tecnológico
- Comprensión de ciencia y tecnología.
ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Ciencia y tecnología en desafíos locales, nacionales y globales
ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia
Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de
- Perspectivas historicas
Estándares de alfabetización tecnológica: todas las edades
La naturaleza de la tecnología
- Estándar 1: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las características y el alcance de la tecnología.
- Estándar 3: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las relaciones entre las tecnologías y las conexiones entre la tecnología y otros campos de estudio.
Tecnología y Sociedad
- Estándar 4: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos culturales, sociales, económicos y políticos de la tecnología.
- Estándar 6: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la sociedad en el desarrollo y uso de la tecnología.
- Estándar 7: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de la influencia de la tecnología en la historia.
Diseño
- Estándar 8: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los atributos del diseño.
- Estándar 9: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del diseño de ingeniería.
- Estándar 10: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la resolución de problemas, la investigación / desarrollo, la invención / innovación y la experimentación en la resolución de problemas.
Habilidades para un mundo tecnológico
- Estándar 11: Los estudiantes desarrollarán habilidades para aplicar el proceso de diseño.
- Estándar 13: Los estudiantes desarrollarán habilidades para evaluar el impacto de productos y sistemas.
La gente siempre se ha inspirado en la naturaleza, ¡y los ingenieros no son una excepción! A lo largo de la historia, las estructuras, sistemas y materiales desarrollados por ingenieros han tenido sus raíces en estructuras, sistemas y materiales naturales. Por ejemplo, la ecolocalización utilizada por los murciélagos en la oscuridad ha contribuido a mejorar la tecnología del bastón para las personas ciegas. Otros han estudiado los métodos que usan los escarabajos para extraer agua de la niebla, o cómo la estructura de una hoja de loto puede ayudar a mantener la humedad alejada de la superficie; esto ha llevado a cambiar la superficie de las telas a nanoescala para que también repelan el agua. Y la cinta de gecko imita la alimentación de un lagarto gecko al incluir pelos nanoscópicos. Otros ingenieros han estudiado la forma en que las termitas de construcción de torres tienen estructuras diseñadas para mantener una temperatura constante en climas con grandes variaciones de temperatura. El edificio Eastgate en Harare, Zimbabwe, tiene sistemas pasivos de autoenfriamiento modelados en montículos de termitas. El edificio, una mezcla de oficinas, tiendas y estacionamiento, usa un promedio de 90% menos de energía que una estructura comparable, ahorrando más de $ 3.5 millones desde su apertura en la década de 1990.
Cómo las alas de las mariposas podrían reducir el fraude bancario
Los científicos e ingenieros de la Universidad de Cambridge descubrieron recientemente una forma de imitar los colores asombrosamente brillantes y hermosos que se encuentran en las alas de las mariposas tropicales. Los hallazgos podrían tener aplicaciones importantes en la industria de la impresión de seguridad, lo que ayudaría a hacer que los billetes de banco y las tarjetas de crédito sean más difíciles de falsificar. Imitar las superficies más coloridas y llamativas de la naturaleza ha resultado difícil de alcanzar. Esto se debe en parte a que, en lugar de depender de los pigmentos, estos colores son producidos por la luz que rebota en las estructuras microscópicas de las alas de los insectos. Mathias Kolle, en colaboración con el profesor Ullrich Steiner y el profesor Jeremy Baumberg de la Universidad de Cambridge, estudió la mariposa pavo real o cola de golondrina de Indonesia (Papilio blumei) (la imagen de la derecha es cortesía de la Universidad de Cambridge), cuyas alas se componen de escamas intrincadas y microscópicas. estructuras que se asemejan al interior de un cartón de huevos. Por su forma y por estar formadas por capas alternas de cutícula y aire, estas estructuras producen colores intensos. Usando una combinación de procedimientos de nanofabricación, incluido el autoensamblaje y la deposición de la capa atómica, Kolle y sus colegas hicieron copias estructuralmente idénticas de las escamas de las mariposas, y estas copias produjeron los mismos colores vivos que las alas de las mariposas. Además de ayudar a los científicos a obtener una comprensión más profunda de la física detrás de los colores de estas mariposas, poder imitarlas tiene aplicaciones prometedoras en la impresión de seguridad.
Juegos Olímpicos de Invierno de China
La estructura del Centro Acuático Nacional en Beijing, China se levanta sobre enormes vigas retorcidas alrededor del exterior, similar a un nido. El equipo de diseño estudió algunos nidos naturales innumerables para comprender el patrón de tejido de los hilos. Se crearon algunos cientos de modelos para el diseño.
Planificación y trabajo en equipo de ingeniería
Usted es parte de un equipo de ingenieros al que se le ha dado el desafío de desarrollar un sistema o edificio que se base en la luna y que se base en un producto o sistema que se encuentra en la naturaleza. Investigarás ideas en línea y luego trabajarás en equipo para desarrollar un diagrama dibujado. También considerará patentar su idea y presentar sus diseños a su clase.
Fase de investigación
Lea los materiales que le proporcionó su maestro. Si tiene acceso a Internet, visite Asknature.org y tómese un tiempo para explorar los diversos desafíos y soluciones que la naturaleza tiene para ofrecer. Por ejemplo, puede buscar "almacenar oxígeno" o "termitas" o cualquier cosa relacionada con lo que está considerando trabajar. Obtenga ideas al ver en qué están trabajando los demás.
Fase de planificación y diseño
Leonardo da Vinci estudió cómo vuelan los pájaros y también dibujó intrincadas ilustraciones de sus diseños en preparación para la construcción. De la misma manera, George de Mestral, un ingeniero suizo que caminaba por los Alpes, descubrió que muchas fresas de un árbol de bardana se le pegaban a la ropa ... Más tarde inventó lo que ahora se conoce como Velcro. Pero también tuvo que dibujar sus ideas para obtener una patente para su invención. Puede ver una página de su patente a la derecha. Mecanizar el proceso de tejer los ganchos tomó ocho años, y tomó otro año para crear el telar que recortaba los bucles después de tejerlos. Le tomó alrededor de una década crear un proceso mecanizado que funcionara. Presentó su idea para la patente en Suiza en 1951 y la patente fue concedida en 1955.
¡Ahora es tu turno! En una hoja de papel aparte, dibuje un diagrama detallado que muestre varias vistas de su sistema, similar a lo que podría ser necesario para una patente. Presente este plan a su clase. Asegúrese de enumerar los materiales que podría necesitar e incluir un párrafo o más que describa cómo funciona su invención y cómo se relaciona con la naturaleza ... ¿qué lo convierte en un ejemplo de biomimetismo?
Fase de presentación
Presente sus ideas, dibujos y conexión con Biomimetismo a la clase, luego complete la hoja de reflexión.
Reflexión
Complete las preguntas de reflexión a continuación:
- ¿Cuál fue la propuesta de uso de biomimetismo más interesante que se desarrolló en las presentaciones de su clase? ¿Por qué?
- ¿Crees que tu diseño es patentable? ¿Es lo suficientemente único como para ser aprobado?
- ¿Cree que su producto, edificio o sistema funcionaría si se fabricara?
- ¿Crees que podrías recaudar fondos para pagar la fabricación? ¿Cómo haría para recaudar fondos?
- ¿Crees que muchos ingenieros exploran soluciones de la naturaleza en sus inventos?
- ¿Pensaste que trabajar en equipo facilitaba o dificultaba este proyecto? ¿Por qué?