Headerbild Bionics Kit

Bionics Kit Experimentierbaukasten

Bionics Kit - Drei Tierroboter aus einem Baukasten.

Schüler arbeiten in Gruppen mit dem Bionik-Baukasten

Der Bionik-Baukasten mit dem Schwerpunkt „Bewegen und Greifen“ enthält das Material zum Bau von drei verschiedenen bionisch inspirierten Projekten:

  • Bionisches Fischmodell
  • Bionischer Elefantenrüssel
  • Bionischer Chamäleon-Greifer

Das Besondere an diesem Baukasten: Da die Projekte nach dem Zusammenbau komplett in ihre Einzelteile zerlegt werden, können aus einem Baukasten drei Modelle erstellt werden. Ein Baukasten kann von bis zu vier Lernenden gemeinsam bearbeitet werden.

Als Grundausstattung enthält der Baukasten alle notwendigen Schnittstellenelemente. Dazu gehören kleine Servomotoren, kompatible elektronische und mechanische Bauteile oder Kunststoffelemente wie Fin Ray® Strukturen. Mit dem Bionics Kit hat Festo Didactic den World Didactic Award 2018 gewonnen.

Lust eigene Entwicklungen mit dem Bionik-Kit zu machen? Dann findet ihr hier einige Beispiele zum Thema Programmierung und 3D-Druck.

Sie interessieren sich für den Bionik-Baukasten? Nehmen Sie Kontakt zu uns auf oder besuchen Sie den Onlineshop einer unserer Vertriebspartner. Adressen finden sie am Seitenende.

Modulares Baukastensystem

Alle Tierroboter werden von Servomotoren angetrieben und von einem Arduino-kompatiblen Mikrocontroller gesteuert. Die Bewegungen werden über eine Bluetooth-Verbindung zum Smartphone oder über ein mobiles Gerät oder einen PC gesteuert. Es sind keine Programmierkenntnisse erforderlich.

Mit Hilfe der entsprechenden Unterrichtsmaterialien werden die Lernenden durch die Montageschritte geführt. Die Inhalte sollen den Lernenden beim Zusammenbau und der Programmierung helfen und den Lehrenden biologisches Hintergrundwissen liefern.

Bauanleitung

Die Bauanleitungen für jeden Tierroboter helfen den Lernenden, ihren eigenen Roboter zu bauen. Schritt-für-Schritt-Anleitungen im PDF-Format führen die Lernenden durch den Montageprozess.

Tutorials auf Youtube

Hast du dich jemals gefragt, warum die Flosse eines Fisches so besonders ist, der Elefantenrüssel so viele Muskeln hat oder wie die Zunge eines Chamäleons funktioniert? Zu jedem Tierroboter gibt es ein Tutorial-Video, in dem ausführlich erklärt wird, wie du deinen eigenen Roboter bauen kannst.

Schülerinnen und Schüler experimentieren mit dem Bionic Fish

Biologisches Hintergrundwissen Fisch

Fin Ray Effect

Video Fin Ray Effect

Als Leif Kniese, ein Bioniker, in Norwegen fischte, bemerkte er, dass die Flossen von Knochenfischen interessante mechanische Eigenschaften haben. Als er seinen Finger gegen die Schwanzflosse des gefangenen Fisches drückte, verbog sich, diese anders als erwartet, nicht. Tatsächlich verbog sich die Schwanzflosse in Richtung seines Fingers. Bei weiteren Untersuchungen stellte er fest, dass der Grund dafür in der Struktur der Schwanzflosse lag. Die Knochen der Flosse bestanden aus zwei knorpeligen Längsstrahlen. Diese Längsstrahlen sind durch elastisches Gewebe miteinander verbunden, weshalb sie sich bei Belastung aufeinander zu bewegen. Die technische Umsetzung dieser Struktur führte zur Entwicklung des Fin Ray Effect. Das Grundelement ist ein spitzes Dreieck mit flexiblen Seiten. Die beiden Seiten sind durch Streben oder Rippen miteinander verbunden.

Der Fin Ray Effect ist ein Beispiel für den Bottom-up-Prozess, bei dem Wissenschaftler ein natürliches Phänomen untersuchen und es dann zur Lösung eines technischen Problems einsetzen.

Sieh Dir das Video an, um mehr über den Fin Ray Effect zu erfahren. Danach klicke auf die PDFs, um zu einer Fin Ray Bastelvorlage-Vorlage zu gelangen. Sobald der Papier-Fin Ray fertig gebastelt ist, nimm Dir die Zeit, um zu prüfen, wie Dir diese technische Lösung für den Aufbau des bionischen Roboters „Bionic Fish“ helfen kann.

Äußere Anatomie eines Knochenfisches

Bild Äußere Anatomie eines Knochenfisches

Mit mehr als 15.000 Arten sind die Knochenfische die größte Fischgruppe. Die Knochenfische haben – wie der Name schon sagt – ein knöchernes Skelett. Jede der Flossen eines Knochenfisches hat einen bestimmten Zweck. Die Schwanzflosse (1) hilft beim Lenken und steuert die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung. Bei einem Knochenfisch sind die Ober- und Unterlappen der Schwanzflosse symmetrisch. Die Analflosse (2) hilft dem Fisch bei der Stabilität und sorgt dafür, dass der Fisch nicht von einer Seite zur anderen rollt. Die beiden Beckenflossen (3) unterstützen das Gleichgewicht und die Lenkung. Die Fische können sie auch als Bremse einsetzen, wenn sie langsamer schwimmen oder anhalten wollen. Der Fisch benutzt seine Brustflossen (4) einzeln, um sich in beide Richtungen zu drehen oder die Auf- und Abbewegungen zu steuern. Die Rückenflosse (5) wirkt wie ein Kiel auf einem Boot und hilft, den Fisch aufrecht und stabil zu halten.

Fisch vs. Säugetiere

Bild Fisch vs. Säugetiere

Meeressäugetiere, wie Wale und Delfine, haben Flossen, um sich unter Wasser fortzubewegen. Bei Fischen ist das ähnlich. Meeressäuger bewegen sich hauptsächlich mit Hilfe ihrer horizontal angeordneten Schwanzflosse fort, dabei klappt ihr Schwanz auf und ab, während sich ein Fisch durch das Wasser fortbewegt, indem er seine vertikal stehende Schwanzflosse von Seite zu Seite bewegt.

Grundlegende Fischschwanzformen

Bild grundlegende Fischschwanzformen

Aufgeführt sind einige grundlegende Fischschwanzformen:

  • mondförmig oder halbmondförmig
  • gespalten
  • abgeschnitten
  • eingekerbt
  • abgerundet
  • doppelt eingekerbt
  • spitz

Was ist eine Schwimmblase?

Bild mit gelben Fischen

Hast du dich schon einmal gefragt, wie Fische es fertigbringen, den ganzen Tag im Wasser zu schwimmen? Grund dafür ist ihre Schwimmblase. Dieses Organ verhindert, dass die Fische absinken. Das Körpergewebe von Fischen ist dichter als Wasser. Die Schwimmblase in ihrem Körper wirkt wie ein Ballon und füllt sich mit Gas. Dieses Gas erzeugt Auftrieb, der dem Gewicht der Fische entgegenwirkt. Zusätzlich zum Auftrieb können sich die Muskeln um die Schwimmblase herum zusammenziehen und das Volumen reduzieren, sodass der Fisch weniger Wasser verdrängt. Der Fisch ist damit schwerer und kann nun sinken. Die Schwimmblase ermöglicht es den Fischen, ihren Auftrieb zu kontrollieren, sodass der Massenschwerpunkt unter dem Volumenschwerpunkt liegt. Dadurch kann sie als Stabilisator wirken.

Da der „Bionic Fish“ keine Schwimmblase hat, muss ein anderer Weg gefunden werden, um den Roboterfisch auszubalancieren. Du kannst eine kleine Plastiktüte mit Sand füllen und im Roboterfisch befestigen. Möglicherweise musst Ddu das Gewicht und die genaue Lage im Korpus ein paar Mal testen, bevor der „Bionic Fish“ sich optimal im Wasser fortbewegt.

Biologisches Hintergrundwissen Elefant und Chamäleon

Elefantenrüssel

Videoteaser mit zwei Elefanten

Ein Elefantenrüssel ist ein faszinierendes Vorbild für die Technik. Die rund 40.000 Muskelbündel im Rüssel eines Elefanten machen ihn sehr flexibel und ermöglichen es ihm, große Kräfte zu übertragen.

Der Rüssel eines Elefanten ist eine knochenlose Muskelstruktur, die eine ausgezeichnete Manövrierfähigkeit ermöglicht. Er besteht aus Muskeln, Gefäßen, Nerven, Fett und anderen Bindegeweben sowie der Haut.

Schon gewusst, dass der Rüssel sowohl extrem empfindlich als auch extrem stark ist? Die fingerähnlichen Spitzen am Ende eines Elefantenrüssels werden zum Umklammern kleinerer Gegenstände verwendet. Sie werden sogar benutzt, um die Augen des Elefanten abzuwischen oder zu reinigen. Andererseits ist der Rüssel so stark, dass er sogar Bäume herausziehen kann!

Schau dir das Youtube Video dazu an!

Chamäleon

Videoteaser mit buntem Chameleon

Chamäleons sind faszinierende Wesen. Sie können ihre Augen unabhängig voneinander bewegen und ihre Farbe je nach Stimmung und Temperatur ändern. Eine weitere Besonderheit ist ihre Jagdstrategie. Mit der einzigartigen Art, wie sie ihre Zunge herausschießen, können sie blitzschnell angreifen und ihre Beute sicher greifen.

Die Merkmale eines Chamäleons

Die Zunge eines Chamäleons besitzt eine einzigartige Kombination aus Kraft und Formanpassung. Das kann man beobachten, wenn das Chamäleon auf der Jagd nach Insekten ist. Sobald das Chamäleon seine Beute im Visier hat, lässt es seine Zunge wie ein Gummiband herausschnellen. Kurz bevor die Zungenspitze das Insekt erreicht, zieht sie sich in der Mitte zurück, während sich die Ränder weiter nach vorne bewegen. So kann sich die Zunge an die Form und Größe der jeweiligen Beute anpassen und sie fest umschließen. Die Beute bleibt an der Zunge haften und wird wie eine Angelschnur eingezogen!

Schau dir das Youtube Video dazu an!

Schülerinnen und Schüler arbeiten mit dem Bionics Kit

Projektmanagement

Um ein Robotertier erfolgreich zu montieren, müsst ihr euch zunächst überlegen, welche Schritte oder Arbeitspakete es gibt, in welcher Reihenfolge sie optimal ausgeführt werden sollten und wie viel Zeit ihr für jeden Schritt aufwenden wollt, damit am Ende der Projektlaufzeit ein funktionsfähiger Roboter entsteht. Die folgenden Fragen werden Dir und Deinem Projektteam helfen, logisch über die Umsetzung nachzudenken.

Stellt euch im Team diese Fragen:

  • Welche Art von Roboter wollen wir bauen?
  • Soll dieser Roboter auf einem bestimmten biologischen Modell basieren?
  • Wozu soll der Roboter in der Lage sein?
  • Was wollen wir vom echten Vorbild lernen?

Teilziele geben jedem Einzelnen und dem gesamten Team ein Gesamtziel, auf das sie sich konzentrieren und hinarbeiten können. Jede Aktion des Teams sollte darauf ausgerichtet sein, das Projekt entlang der Ziele zum Erfolg zu führen Sobald ihr das Ziel definiert habt, könnt ihr Aufgaben festlegen und zuweisen. Legt fest, wer was, wann und warum tut.

Es gibt eine Liste mit Arbeitspaketen, die ihr zur Inspiration verwenden könnt. Sie führen euch durch die notwendigen Schritte, um erfolgreich einen dieser drei bio-inspirierten Roboter zu bauen. Zusammen mit der Vorlage "Projektplan" könnt ihr einen Projektplan erstellen, in dem die jedem Teammitglied zugewiesenen Aufgaben aufgeführt sind, die innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens erledigt werden müssen. Projektpläne bieten einen einfachen visuellen Überblick über ein Projekt von Anfang bis Ende und führen zu einer höheren Arbeitseffizienz der Teammitglieder.

Weitere Ideen für den Unterricht benötigt?

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MINT-Bezug

Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik

Informatik

  • Programmierung mit Open Roberta (Scratch) oder C++

Naturwissenschaften

  • Kennenlernen des interdisziplinären Themenfeld der Bionik
  • Flossenstrahl-Effekt
  • Optimierung des Wirkungsgrads der Flossenform

Technik

  • Bau von bio-inspirierten Robotern
  • Messen, Steuern und Regeln
  • Produktgestaltung mit CAD mit Onshape - Individualisierung von Teilen
  • Nutzung eines digitalen Zwillings zur Bestimmung des Schwerpunktes

Alle wichtigen Downloads auf einen Blick

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