XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Интерактивное насекомое
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сфера интерактивных роботов стремительно развивается в невероятных масштабах. Они могут быть как развлекательными, так и приносить человеку пользу. К примеру, спроектированные современными инженерами роботы-жуки умеют тушить пожар, совмещать роли домашнего животного и светильника, лечить болезни и даже избавлять владельцев от нашествия тараканов. Их функционал не ограничивается одним лишь узким направлением, а лишь растёт в геометрической проекции на пользу современному человеку.
Актуальность темы:
Исследуя окружающий мир, с самого детства он вызывает у нас неподдельный интерес, удивляя нас своей многогранностью. Игра в ловлю бабочек, стрекоз или жуков знакома почти каждому ребенку, ведь это делает его жизнь ещё более увлекательной. Нам часто так не терпится узнать, из чего же состоит каждая деталь нашего мира, и именно по этой причине робототехника становится ещё более актуальна, отвечая наши вопросы через целое множество мобильных решений. Поэтому интерактивные роботы становятся так востребованы, помогая нам изучать даже некоторые области наук.
Цель исследования: Создание интерактивного насекомого жука на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 с функциями передвижения и обнаружения окружающих объектов для изучения поведения жуков детьми дома или на занятиях.
Задачи исследования:
Изучить разновидности жуков и их особенности;
Провести анализ мест обитания жуков;
Найти информацию по сферам использования роботов-насекомых;
Создать на основе изученной информации интерактивного жука на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.
Глава 1. Жуки, как часть класса насекомые.
Разновидности жуков и их особенности
К классу насекомые относятся наиболее высокоорганизованные членистоногие. Известно по разным данным 2-4 млн видов. Большинство насекомых обитает на суше, некоторые — в пресных водоемах. Большинство летает, имея одну или две пары крыльев. Всё насекомые дышат трахеями.
Тело насекомых состоит из головы, груди и брюшка (Рисунок 1.1.1 Приложения). На голове расположена пара членистых различных по форме усиков (сяжек), простые или сложные глаза и подвижные ротовые придатки. В зависимости от ротового аппарата насекомых делят на две группы: грызущие (мандибулярные) и сосущие (хоботковые).
Пищеварительный тракт включает рот, глотку, пищевод, зоб, жевательный желудок и кишку. Кровь (гемолимфа) свободно циркулирует в полости тела, омывая ткани и органы. Сердце представляет робой трубку со слепо замкнутым задним концом и открытым передним.
Насекомые раздельнополы. Органы размножения самки представлены парными яичниками и тянущимися по бокам яйцеводами, которые сливаются в один проток. У самок есть семяприемники. У самцов имеются парные семенники и семяпроводы. Оплодотворение у насекомых внутреннее.
В природе часто встречаются насекомые из отряда Жуки, или Жесткокрылые, которые имеют пару передних жестких и пару задних мягких перепончатых крыльев. По характеру питания среди них различают хищников (божьи коровки), потребителей разлагающихся органических остатков и растительноядных жуков (хрущи, колорадский жук и другие) [1].
Отряд насекомых самый крупный таксон в царстве животных. Всего описано около 1 млн. видов этого царства, из них около 700 тыс. приходится на класс насекомых, среди которых примерно 300 тыс. - жесткокрылые, или жуки. Ученые ежегодно описывают несколько тысяч всё новых и новых видов. Название отряда происходит от греч. koleon - футляр и pteron - крыло. Его представители характеризуются жесткими передними крыльями, называемыми надкрыльями, или элитрами, которые смыкаются (а иногда и срастаются) по средней линии спины, образуя защитный чехол для перепончатых задних крыльев. Это единственные насекомые, использующие для полета преимущественно их заднюю пару, и у летящего жука, в отличие от представителей других отрядов, основная часть тела находится перед работающими крыльями. Представители нескольких семейств образуют симбиоз с муравьями. Практически любой органический материал может служить пищей для той или иной группы жесткокрылых. Многие жуки питаются растениями (фитофаги), некоторые охотятся на насекомых, улиток или других мелких беспозвоночных. Ряд видов кормится мертвыми или разлагающимися тканями растительного или животного происхождения [2].
1.2 Места обитания жуков
Жуки распространены почти по всему свету и встречаются в самых разнообразных местообитаниях, в том числе под камнями и бревнами, в лесной подстилке, в гравии по берегам рек и в пресных водоемах. Личинки многих жесткокрылых живут в древесине или под корой деревьев, а у некоторых видов - в разлагающихся остатках животных.
Жуки населяют практически все уголки планеты, от экваториальных влажных лесов и знойных пустынь до бескрайних просторов тундры. Исключением являются лишь вечные снега высокогорных вершин и ледяные поля Арктики, а также Антарктиды.
Отряд жуков, или жесткокрылых, обычно подразделяют на три подотряда.
1. Adephaga (плотоядные). В основном хищные жуки с простыми нитевидными или жгутовидными антеннами, выпуклыми глазами и пятичлениковыми лапками. Примеры - жужелицы, вертячки, плавунцы.
2. Archostemata (архостематы). Это древняя, когда-то процветавшая, но теперь очень бедная видами группа редко встречающихся необычных жуков, у которых концы крыльев закручены в спираль. Объединяет всего два семейства - Cupedidae и Micromalthidae (не имеют русских названий).
3. Polyphaga (разноядные). Чрезвычайно богатая видами, разнообразная группа, включающая всех остальных жуков, в частности мертвоедов, божьих коровок, чернотелок, щелкунов, светляков, листоедов, усачей, долгоносиков.
Глава 2. Интерактивные роботы-насекомые
2.1 Сферы использования роботов-насекомых
Bug Light’ Pet Lamp
Израильский промышленный дизайнер Омир Ибар (Omer Inbar) вывел новый вид домашнего животного. Bug Light’ Pet Lamp – насекомообразный робот (Рисунок 2.1.1 Приложения), выполняющий функцию передвижного светильника. Всего Омир придумал три подвида светящихся жуков – паука, муравья и богомола. Неприхотливые «любимцы» продаются в комплекте с лампочкой на 25 Ватт, полутораметровым кабелем для подключения к розетке европейского типа и адаптером для жителей США.
Домашний робот-жук ArcBotic ‘Hexy’
Hexy, умеющий набирать текст на компьютере, разработан Джозефом Шлезингером (Joseph Schlesinger) для начинающих робототехников. ‘Hexy’ продается в разобранном виде (Рисунок 2.1.2 Приложения). Особенности авторской конструкции исключают использование паяльника – чтобы собрать жучка, достаточно инструкции и идущих с ним в комплекте пар отверток. Шлезингер стремиться создавать роботов, подобных мебели из IKEA – недорогих, приятных на вид и простых в сборке.
Spiderbot
Американские ученые из Колумбийского Университета ДНК разработали жука-робота, способного выполнять самую деликатную врачебную работу. Spiderbot, чьи размеры не превышают четырех нанометров (это в десять тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса), умеет чистить артерии, выявлять и уничтожать злокачественные новообразования на клеточном уровне (Рисунок 2.1.3 Приложения).
Паукообразный ISOPOD Robot Watcher
Концепт российского изобретателя Игоря Лобанова. Робот-насекомое задуман как помощник по хозяйству, заменяющий человека при выполнении опасных домашних дел (Рисунок 2.1.4 Приложения). Например, при починке электропроводки. Конструкция робота подразумевает возможность оснащения камерой наблюдения и дополнительными деталями на усмотрение владельца.
Stompy Robot
Концептуальный транспорт от группы инженеров-робототехников Project Hexapod (Массачусетс, США). Предполагаемые габариты шестиногой «машины» – 5,48 м в ширину (Рисунок 2.1.5 Приложения). Разработчики планируют обеспечить Stompy Robot скорость ходьбы до 4,8 км/ч при нагрузке 453 кг и до 1 км/ч с грузом 1,814 т. Воплощением концепта в жизнь начато в прошлом году, проект финансируется за счет частных пожертвований. Инженеры надеются, что их разработка пригодится как для ежедневного передвижения в черте города, так и для спасения людей, ставших жертвами стихийных бедствий [3].
2.2 Интерактивный жук
Изучив настоящих жуков, их строение и особенности, а также роботов-насекомых, мы заинтересовались возможностью сконструировать на основе известных нам механизмов шагающего робота в виде интерактивного жука на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 (Рисунок 2.2.1 Приложения).
В модели интерактивного жука установлено:
1 модуль EV3 в качестве основной части корпуса робота и центра управления и запуска программы (Рисунок 2.2.2 Приложения);
2 больших мотора, вращающих с помощью зубчатых передач 6 ножек жука (Рисунок 2.2.3 Приложения);
1 датчик ультразвука в целях обнаружения объекта перед собой (Рисунок 2.2.4 Приложения).
При выполнении программы жук начинает неуклюже бежать вперед со звуком (во избежание падения мы прикрепили к нему плоские лапки), но в момент обнаружения объекта на расстоянии меньше 15 см. он от страха пятится назад, издавая другой звук (Рисунок 2.2.5 Приложения). Данная модель (Рисунок 2.2.6 Приложения) позволит весело изучать строение жуков, их поведение и своеобразные особенности, будучи отличным наглядным примером, благодаря чему всё внимание детей будет приковано к роботу, особенно, в момент движения.
Заключение
Изучив разновидности жуков и их особенности, мы узнали, что ежедневно этих удивительных насекомых становится только больше, а их виды ещё разнообразнее.
Проанализировав места их обитания, мы выделили самые разные уголки планеты, за исключением лишь холодных частей, непригодных для их образа жизни. Жуки является важной составляющей природы, в которой мы живём, поэтому так необходимо бережно к ним относиться.
Также нами было обнаружено множество сфер использования роботов-насекомых, которые были созданы по прототипу настоящих насекомых, что лишь показывает, как жизнь и поведение насекомых необходимо человеку и не только в самой природе.
Поэтому на основе изученной информации мы создали интерактивного жука на базе конструктора Lego Mindstorms EV3, способного продемонстрировать поведение одного из видов настоящего жука и сделать занятия по биологии в школе ещё более увлекательными и интересными, благодаря такой наглядной творческой модели!
Список используемой литературы:
https://www.yaklass.ru/materiali?mode=cht&chtid=27
https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/4011/%D0%96%D0%A3%D0%9A%D0%98
https://alltop10.org/10-poleznyih-robotov-nasekomyih/
Приложение
Рисунок 1.1.1 – Строение жука
Рисунок 2.1.1 – Bug Light’ Pet Lamp Рисунок 2.1.2 – ArcBotic ‘Hexy’
Рисунок 2.1.3 – Spiderbot Рисунок 2.1.4 – Robot Watcher
Рисунок 2.1.5 – Stompy Robot
Рисунок 2.2.1 – Интерактивный жук
Рисунок 2.2.2 – Модуль Рисунок 2.2.3 – 2 больших мотора
Рисунок 2.2.4 – Датчик ультразвука спереди Рисунок 2.2.5 – Проверка работы
Рисунок 2.2.6 – Программа