공학의 생체모방

디자인 도전

당신은 달에 배치될 시스템이나 건물을 개발해야 하는 과제를 안고 있는 엔지니어 팀의 일원입니다. 시스템이나 건물은 자연에서 발견되는 제품이나 시스템을 기반으로 해야 합니다. 온라인에서 아이디어를 조사한 다음 팀으로 작업하여 디자인 스케치를 개발합니다. 당신은 또한 당신의 아이디어를 특허화하는 것을 고려할 것입니다.

기준 

• 달에 놓을 디자인.
• 디자인은 자연에서 발견되는 제품이나 시스템을 기반으로 해야 합니다.

제약

• 제공된 재료만 사용하십시오.

특허란 무엇입니까?

발명에 대한 특허는 발명가에게 재산권을 부여하는 것으로 국가의 특허청에서 발행한 것입니다. 특허를 부여하는 절차, 특허권자에게 부여되는 요건, 독점권의 범위는 국내법과 국제 협약에 따라 국가마다 크게 다릅니다. 미국의 경우 신규 특허의 존속기간은 특허출원일로부터 20년이며, 특별한 경우에는 이전 관련출원일로부터 유지비를 납부하면 된다. 실용 특허는 유용한 공정, 기계, 제조 물품 및 물질의 구성을 보호합니다. 몇 가지 예: 광섬유, 컴퓨터 하드웨어, 약물. 디자인 특허는 제품에 대한 새롭고 독창적이고 장식적인 디자인의 무단 사용을 보호합니다. 특정 운동화나 자전거 헬멧의 외관은 디자인 특허로 보호됩니다. 식물 특허는 우리가 발명하거나 발견한 무성생식 식물 품종을 보호하는 방법입니다. 잡종차장미, 은여왕옥수수, 베터보이토마토는 모두 식물특허입니다.

유명 특허

안전핀: "안전핀"에 대한 특허는 10년 1849월 XNUMX일 뉴욕의 Walter Hunt에게 발행되었습니다. 헌트의 핀은 한 쪽 끝에서 스프링으로 감겨져 있고 다른 쪽 끝에서 별도의 걸쇠와 포인트로 감겨져 와이어의 포인트가 스프링에 의해 걸쇠로 강제될 수 있도록 하는 한 조각의 와이어로 만들어졌습니다.

식기 세척기 : 최초의 실용적인 식기 세척기에 대한 특허는 28년 1886월 XNUMX일 일리노이 주 셸비빌의 Josephine Garis Cochran에게 발행되었습니다. 그녀는 부유하고 자주 오락을 즐기며 설거지가 깨지지 않고 빨리 설 수 있는 기계를 원했습니다. 그녀가 하나를 찾을 수 없을 때, 그녀는 그것을 스스로 만들었습니다.

특허 등록 방법

국가 또는 지역마다 고유한 특허 절차가 있습니다. 예를 들어, 유럽에는 유럽 특허청이 있습니다. 미국에서는 미국 특허상표청이 특허 절차를 관리합니다. 어디에 있든 종이나 컴퓨터로 제품을 디자인하고 왜 다른 디자인과 다른지 구체적으로 보여줘야 합니다. 왼쪽은 코카콜라 병의 첫 번째 그림 중 하나이고 오른쪽은 특허 디자인 사본입니다. 또한 당신이 생각하는 것을 다른 사람이 이미 발명했는지 확인해야 합니다! www.uspto.gov/patents에서 상표를 검색해 보십시오.

생체모방이란?

사람들은 항상 자연에서 영감을 받아 왔습니다. 엔지니어도 예외는 아닙니다! 역사를 통틀어 엔지니어가 개발한 구조, 시스템 및 재료는 자연 구조, 시스템 및 재료에 뿌리를 두고 있습니다. 예를 들어 어둠 속에서 박쥐가 사용하는 반향정위는 시각 장애인을 위한 지팡이 기술의 개선으로 이어졌습니다. 다른 사람들은 딱정벌레가 안개에서 물을 끌어오는 데 사용하는 방법이나 연꽃 잎의 구조가 표면에서 수분을 멀리 유지하는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴보았습니다. 이로 인해 나노 규모의 직물 표면이 변화하여 물을 너무 튕겨내게 되었습니다. 그리고 도마뱀붙이 테이프는 나노 크기의 털을 포함하여 도마뱀붙이 도마뱀의 먹이를 모방합니다. 다른 엔지니어들은 타워 빌딩 흰개미가 온도 변화가 넓은 기후에서 일정한 온도를 유지하도록 설계된 구조를 갖는 방식을 살펴보았습니다. 짐바브웨의 하라레에 있는 Eastgate 건물에는 흰개미 더미를 모델로 한 수동적 자가 냉각 시스템이 있습니다. 사무실, 상점 및 주차장이 혼합된 이 건물은 90년대에 문을 연 이후로 3.5만 달러 이상을 절약한 유사한 구조보다 평균 1990% 적은 에너지를 사용합니다.

나비의 날개가 은행 사기를 줄이는 방법

케임브리지 대학의 과학자와 엔지니어들은 최근 열대 나비의 날개에서 볼 수 있는 놀랍도록 밝고 아름다운 색상을 모방하는 방법을 발견했습니다. 이 발견은 보안 인쇄 산업에서 중요한 응용 프로그램이 될 수 있으며 은행권과 신용 카드를 위조하기 어렵게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 자연의 가장 다채롭고 시선을 사로잡는 표면을 모방하는 것은 어려운 것으로 판명되었습니다. 이것은 부분적으로 색소에 의존하지 않고 곤충 날개의 미세한 구조에서 반사되는 빛에 의해 이러한 색상이 생성되기 때문입니다. Mathias Kolle은 Ullrich Steiner 교수 및 Cambridge 대학의 Jeremy Baumberg 교수와 협력하여 인도네시아 공작 또는 제비꼬리 나비(Papilio blumei)(오른쪽 이미지 제공: Cambridge 대학)를 연구했습니다. 달걀 상자의 내부와 유사한 구조. 모양과 큐티클과 공기의 교대 층으로 구성되어 있기 때문에 이러한 구조는 강렬한 색상을 생성합니다. 자기 조립 및 원자층 증착을 포함한 나노 제조 절차의 조합을 사용하여 Kolle과 그의 동료들은 구조적으로 동일한 나비 비늘 사본을 만들었으며 이러한 사본은 나비 날개와 동일한 생생한 색상을 생성했습니다. 과학자들이 이 나비의 색상 뒤에 있는 물리학을 더 깊이 이해할 수 있도록 도울 뿐만 아니라 나비를 모방할 수 있다는 것은 보안 인쇄에 유망한 응용 프로그램입니다.

중국 동계올림픽

중국 베이징에 있는 국립수생센터 구조물은 둥지와 유사한 외부 주위에 거대한 비틀린 기둥 위에 서 있습니다. 디자인 팀은 실의 직조 패턴을 이해하기 위해 셀 수 없이 많은 자연 둥지를 연구했습니다. 디자인을 위해 수백 개의 모델이 만들어졌습니다.

사람들은 항상 자연에서 영감을 받아 왔습니다. 엔지니어도 예외는 아닙니다! 역사를 통틀어 엔지니어가 개발한 구조, 시스템 및 재료는 자연 구조, 시스템 및 재료에 뿌리를 두고 있습니다. 예를 들어 어둠 속에서 박쥐가 사용하는 반향정위는 시각 장애인을 위한 지팡이 기술의 개선으로 이어졌습니다. 다른 사람들은 딱정벌레가 안개에서 물을 끌어오는 데 사용하는 방법이나 연꽃 잎의 구조가 표면에서 수분을 멀리 유지하는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴보았습니다. 이로 인해 나노 규모의 직물 표면이 변화하여 물을 너무 튕겨내게 되었습니다. 그리고 도마뱀붙이 테이프는 나노 크기의 털을 포함하여 도마뱀붙이 도마뱀의 먹이를 모방합니다. 다른 엔지니어들은 타워 빌딩 흰개미가 온도 변화가 넓은 기후에서 일정한 온도를 유지하도록 설계된 구조를 갖는 방식을 살펴보았습니다. 짐바브웨의 하라레에 있는 Eastgate 건물에는 흰개미 더미를 모델로 한 수동적 자가 냉각 시스템이 있습니다. 사무실, 상점 및 주차장이 혼합된 이 건물은 90년대에 문을 연 이후로 3.5만 달러 이상을 절약한 유사한 구조보다 평균 1990% 적은 에너지를 사용합니다.

나비의 날개가 은행 사기를 줄이는 방법

케임브리지 대학의 과학자와 엔지니어들은 최근 열대 나비의 날개에서 볼 수 있는 놀랍도록 밝고 아름다운 색상을 모방하는 방법을 발견했습니다. 이 발견은 보안 인쇄 산업에서 중요한 응용 프로그램이 될 수 있으며 은행권과 신용 카드를 위조하기 어렵게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 자연의 가장 다채롭고 시선을 사로잡는 표면을 모방하는 것은 어려운 것으로 판명되었습니다. 이것은 부분적으로 색소에 의존하지 않고 곤충 날개의 미세한 구조에서 반사되는 빛에 의해 이러한 색상이 생성되기 때문입니다. Mathias Kolle은 Ullrich Steiner 교수 및 Cambridge 대학의 Jeremy Baumberg 교수와 협력하여 인도네시아 공작 또는 제비꼬리 나비(Papilio blumei)(오른쪽 이미지 제공: Cambridge 대학)를 연구했습니다. 달걀 상자의 내부와 유사한 구조. 모양과 큐티클과 공기의 교대 층으로 구성되어 있기 때문에 이러한 구조는 강렬한 색상을 생성합니다. 자기 조립 및 원자층 증착을 포함한 나노 제조 절차의 조합을 사용하여 Kolle과 그의 동료들은 구조적으로 동일한 나비 비늘 사본을 만들었으며 이러한 사본은 나비 날개와 동일한 생생한 색상을 생성했습니다. 과학자들이 이 나비의 색상 뒤에 있는 물리학을 더 깊이 이해할 수 있도록 도울 뿐만 아니라 나비를 모방할 수 있다는 것은 보안 인쇄에 유망한 응용 프로그램입니다.

중국 동계올림픽

중국 베이징에 있는 국립수생센터 구조물은 둥지와 유사한 외부 주위에 거대한 비틀린 기둥 위에 서 있습니다. 디자인 팀은 실의 직조 패턴을 이해하기 위해 셀 수 없이 많은 자연 둥지를 연구했습니다. 디자인을 위해 수백 개의 모델이 만들어졌습니다.

엔지니어링 팀워크 및 계획

당신은 자연에서 발견되는 제품이나 시스템을 기반으로 하는 달을 기반으로 하는 시스템이나 건물을 개발해야 하는 과제를 안고 있는 엔지니어 팀의 일원입니다. 온라인에서 아이디어를 조사한 다음 팀으로 작업하여 그려진 다이어그램을 개발합니다. 또한 아이디어에 특허를 내는 것도 고려하고 수업에 디자인을 발표할 수도 있습니다.

연구 단계

교사가 제공한 자료를 읽으십시오. 인터넷에 액세스할 수 있는 경우 Asknature.org를 방문하여 시간을 내어 자연이 제공하는 다양한 문제와 솔루션을 탐색하십시오. 예를 들어, "산소 저장" 또는 "흰개미" 또는 작업을 고려 중인 것과 관련된 모든 것을 검색할 수 있습니다. 다른 사람들이 작업 중인 것을 보고 아이디어를 얻으세요.

계획 및 설계 단계

Leonardo da Vinci는 새가 어떻게 나는지를 연구하고 건설을 준비하기 위해 자신의 디자인에 대한 복잡한 삽화를 그렸습니다. 같은 방식으로 알프스에서 하이킹을 하는 스위스 엔지니어인 George de Mestral은 우엉 나무의 많은 가시가 그의 옷에 달라붙는 것을 발견했습니다. 그는 나중에 현재 Velcro로 알려진 것을 발명했습니다. 그러나 그는 또한 자신의 발명에 대한 특허를 얻기 위해 자신의 아이디어를 이끌어내야 했습니다. 오른쪽에 그의 특허의 한 페이지를 볼 수 있습니다. 갈고리 짜는 과정을 기계화하는 데 1951년이 걸렸고 고리를 엮은 후 고리를 다듬는 베틀을 만드는 데 1955년이 더 걸렸다. 작동하는 기계화된 프로세스를 만드는 데 약 XNUMX년이 걸렸습니다. 그는 XNUMX년에 스위스에 특허 아이디어를 제출했고 XNUMX년에 특허를 받았습니다.

이제 당신 차례입니다! 별도의 종이에 특허에 필요한 것과 유사한 시스템의 여러 보기를 보여주는 상세한 다이어그램을 그립니다. 이 계획을 학급에 발표하십시오. 필요할 수 있는 재료를 나열하고 발명이 어떻게 작동하고 자연과 어떻게 관련되는지 설명하는 단락 또는 그 이상을 포함하십시오.... 무엇이 그것을 생체모방의 예로 만드는가?

프레젠테이션 단계

아이디어, 그림 및 생체 모방에 대한 연결을 수업에 발표하고 반사 시트를 완성합니다.

반사

아래의 성찰 질문을 완료하십시오.

1. 수업 프레젠테이션에서 개발된 생체모방의 가장 흥미로운 제안은 무엇이었습니까? 왜요?

2. 귀하의 디자인이 특허를 받을 수 있다고 생각하십니까? 승인될 만큼 고유한가?

3. 귀하의 제품, 건물 또는 시스템이 제조된다면 작동할 것이라고 생각하십니까?

4. 제조 비용을 지불하기 위해 자금을 조달할 수 있다고 생각하십니까? 기금 마련은 어떻게 하시겠습니까?

5. 많은 엔지니어들이 자연에서 자신의 발명품에 대한 솔루션을 탐색한다고 생각하십니까?

6. 팀으로 작업하는 것이 이 프로젝트를 더 쉽게 또는 더 어렵게 만들었다고 생각하십니까? 왜요?