Глубоководный удильщик на базе конструктора LEGO Mindstorms

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Глубоководный удильщик на базе конструктора LEGO Mindstorms

Шумилова А.И. 1Учанов О.Д. 1Гатауллин А.Т. 1Зимнев Р.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Филинова А.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В морских и океанских глубинах существует огромное количество всевозможных существ, которые поражают своими изощрёнными защитными механизмами, способностью приспосабливаться, и, конечно же, своим видом.

Океан является самой огромной, самой густозаселённой и самой неизвестной для людей средой обитания. Это целая вселенная, которая ещё не полностью изучена. Площадь поверхности мирового океана, в состав которого входят океаны и моря, составляет около 71 % поверхности Земли. Исследовано всего лишь 5% водных просторов. В его глубинах существует огромное количество всевозможных существ, которые поражают своими своим видом и способностью приспосабливаться. 

Одним из самых удивительных морских обитателей, живущие на глубине от 1500 до 3 000 метров является удильщик– необычное глубоководное создание, напоминающие монстров из сказки. Удивительны и не похожи на других. Все внешние черты приспособлены для того, чтобы жить под огромной толщей воды, в темных и непроглядных глубинах. Попробуем изучить более подробно их загадочную рыбью жизнь, акцентировав внимание не только на внешности, но и на характерных повадках, нраве, способах размножения и пищевых предпочтениях.

Цель исследования: создание модели на базе конструктора и программы для демонстрации образа жизни удильщика на глубине.

Задачи:

Найти информацию о глубоководном удильщике

Подробно изучить образ жизни удильщика;

Собрать из конструктора LEGO WeDo модель, которая позволит наглядно продемонстрирует поведение удильщика.

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: учебно-методические материалы для учителей (http:// weburok.com/); интернет энциклопедию (https://wildfauna.ru/); Википедия (https://ru.wikipedia.org). При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги LEGO MINDSTORMS EV3 [2], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [1,3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [4]

Глава 1. Внешний вид

Удильщиков еще называют морскими чертями, они принадлежат подотряду глубоководных лучеперых рыб, к отряду удильщикообразных (Рисунок 1.1, Приложения)

Вообще, все удильщикообразные отличаются неординарными и странноватыми внешними чертами, необходимыми рыбам для жизни больших глубинах. Главным отличием удильщиков является их видоизмененный спинной плавник, который свисает недалеко от рыбьей пасти и напоминает удилище, на конце которого расположена приманка (эска). Такая необычная удочка называется иллиций, из-за ее наличия рыб и прозвали удильщиками. Удочкой среди удильщиков обладают исключительно самки.(Рисунок 1.2, Приложения)[5] Эска представляет собой кожаный мешочек – это железа, заполненная слизью с биолюминесцентными бактериями, за счет которых приманка светится. Обычно свечение представляет собой серию вспышек. Рыба может вызывать и прекращать свечение, контролируя процесс расширением и сужением сосудов, так как железа нуждается в притоке крови, а биолюминесцентные бактерии — в кислороде.[7]

Всех удильщиков подразделяют на 11 семейства, которые состоят более чем из 120 разновидностей рыб. Различные виды отличаются не только местами постоянной дислокации, но и габаритами, массой, некоторыми внешними особенностями.

Среди разновидностей можно назвать:

чернобрюхого (южноевропейского) удильщика;

дальневосточного удильщика;

американского удильщика;

европейского удильщика;

западноатлантического удильщика;

капского удильщика; южноафриканского удильщика.

Как уже отмечалось, самка отличается от самца наличием специального удилища, используемого для привлечения добычи. Но на этом различия полов не заканчиваются, самцы и самки удильщиков настолько сильно отличаются, что раньше ученые причисляли их к разным видам. Рыбы мужского и женского полов сильно рознятся относительно своих габаритов.

Самочки по сравнению с их кавалерами – просто гиганты. Габариты женских особей могут варьироваться от 5 см до двух метров, масса может доходить до 57 кг, а протяженность самцов не превышает и 5 см. Вот такие вот колоссальные различия в параметрах! Еще половой диморфизм заключен в том, что миниатюрные кавалеры обладают прекрасным зрением и обонянием, необходимыми им для обнаружения партнерши.

Размеры удильщиков различаются у разных видов. Протяженность тела европейского удильщика может доходить до двухметровой длины, но, в среднем, она не превышает полутора метров. Наибольшая масса такой большой рыбины колеблется от 55 до 57,7 кг. Тело у рыбы лишено чешуи, ее заменяют множество кожистых наростов и бугорков. Телосложение рыбы приплюснуто, сжато со стороны хребта и брюшка. Глаза небольшие, расположены достаточно далеко друг от друга. Рыбий хребет имеет коричневый или зеленовато-коричневый оттенок, встречается и красноватый тон,  на теле могут присутствовать темные пятнышки.[5]

Рот у морского черта огромный, украшенный рядом острых, загнутых внутрь зубов. Вокруг рта могут быть шевелящиеся кожистые складки, которые тоже помогают рыбе успешно прятаться в водорослях на дне и поджидать добычу.(Рисунок 1.3, Приложения) [7]

Благодаря тому, что грудные плавники морского черта усилены несколькими костями скелета, они довольно мощные и позволяют рыбам не только зарываться в донный грунт, но и перемещаться по нему ползком или с помощью своеобразных прыжков. Брюшные плавники менее востребованы в процессе передвижения рыбы удильщика и располагаются на горле. (Рисунок 1.4, Приложения)

Вообще, удильщики – просто мастера маскировки, они полностью сливаются с дном, становясь, практически, неразличимыми с грунтом. Всяческие бугры и наросты на их теле способствуют этому. С обеих сторон головы у удильщиков нависает кожа в виде бахромы, которая проходит и вдоль челюсти, над рыбьими губами. Внешне эта бахрома схожа с водорослями, колышущимися в толще воды, из-за этого рыба еще сильней замаскировывается под окружающую обстановку.[5]

Глава 2. Место обитания

Удильщики обживают большие глубины, варьирующиеся от полутора до трех с половиной километров. Они давно приспособились к темноте и избыточному давлению в толще океанических вод. Чернобрюхий морской черт проживает в восточной части Атлантического океана, облюбовав пространства от Сенегала до островов Британии.

Живет этот удильщик в акваториях Черного и Средиземного морей. По названию понятно, что западноатлантический удильщик прописался в западной части Атлантики, проживая в глубинах от 40 до 700 метров.

Американский удильщик населил атлантическое побережье североамериканского континента, он базируется в северо-западной части Атлантики на глубине от 650 до 670 метров. Европейский морской черт тоже облюбовал Атлантику, только дислоцируется недалеко от европейских берегов, ареал его расселения простирается от водных просторов Баренцева моря и Исландии до Гвинейского залива, еще рыба проживает в Черном, Балтийском и Северном морях.

Дальневосточному удильщику по нраву Японское море, он проживает вдоль прибрежной зоны Кореи, в заливе Петра Великого, неподалеку от острова Хонсю. [5]

Удильщики - типичные обитатели дна, обычно встречаются на песчаном и илистом дне, иногда полузарыты в него, а также среди водорослей и между обломками скал.(Рисунок 2.1, Приложения)

Глава 3. Особенности передвижения

Удильщики ведут малоподвижный образ жизни и в основном лежат на дне, стремясь быть максимально незаметными. Никаких убежишь они не строят, не выбирают себе постоянное место обитания. (Рисунок 3.1, Приложения)

Удильщики не любят плавать. Некоторые подвиды морских чертей имеют плотные боковые плавники, которые упираются в дно, когда рыба лежит. Благодаря тому, что грудные плавники морского черта усилены несколькими костями скелета, они довольно мощные и позволяют рыбам не только зарываться в донный грунт, но и перемещаться по нему ползком или с помощью своеобразных прыжков. Ученые полагают, что с помощью этих плавников рыба как бы «ходит» по дну, подталкивая себя движениями хвоста. За такие прыжки морского удильщика еще называют «лягушкой». Брюшные плавники менее востребованы в процессе передвижения рыбы удильщика и располагаются на горле. (Рисунок 3.2, Приложения)

Образ жизни удильщиков обоснован тем, что при малой добыче и высоком давлении им нужно поддерживать стабильную массу тела, чтобы комфортно существовать в такой недружелюбной среде. Поэтому морские черти ориентированы на максимальное сохранение энергии, поэтому селятся в местах, где нужно меньше двигаться и, тем более, меньше скрываться от хищников и прочих опасностей. [5]

Глава 4. Питание

По характеру питания все морские черти являются типичными хищниками. Основа их рациона представлена рыбами, обитающими в придонной водной толще. В желудочных содержимых удильщиков встречаются песчанки, мелкие скаты и треска, угри и небольшие акулы, а также камбала. (Рисунок 4.1, Приложения) Виды, обитающие не так глубоко, охотятся на сельдь и скумбрию. Есть сведения о том, что удильщики совершали нападения на небольших водоплавающих птиц. Поедают морские черти ракообразных и головоногих моллюсков, в том числе перекусывают каракатицами и кальмарами. Маленькие самцы едят веслоногих рачков и щетинкочелюстных. [7]

Процесс охоты выглядит следующим образом. Удильщик лежит на дне, спрятавшись в иле и водорослях. Благодаря выраженному природному камуфляжу морской чёрт, неподвижно лежащий на дне, практически незаметен. С целью маскировки водный хищник зарывается в грунт или таится в густых зарослях водорослей. Потенциальная жертва привлекается особой светящейся приманкой эски, расположенной у морских чертей на концевой части своеобразного удилища, представленного удлинённым лучом спинного переднего плавника. Он включает свечение эски и дергает ей так, что это похоже на движение мелкой рыбки. Чтобы поймать добычу, самка терпеливо ждет, когда она сама к ней приплывет. Мелкую добычу она втягивает в себя, засасывая вместе с водой. На то, чтобы заглотить любопытную рыбку, нужно несколько миллисекунд. Иногда, за счет своих развитых грудных плавников или выпуская струи воды сквозь жабры, удильщик может выпрыгивать вперед, нападая на добычу.[8]

Удильщик крайне прожорливая рыба, она может напасть на добычу, превосходящую ее размерами в три раза. Хотя желудок у рыб растягивается до внушительных размеров, такой обед заканчивается для рыбы смертью. Так как зубы у нее загнуты внутрь, она не может выплюнуть добычу и давится.

Глава 5. Практическая часть

5.1. Глубоководный удильщик на базе конструктора LEGO Mindstorms

Мы внимательно изучили внешнее строение удильщика. Основываясь на полученных знаниях мы сконструировали его копию на базе конструктора LEGO Mindstorms. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [1,3].

Конструировать мы начали с головы. Главной задачей было сконструировать механизм, который будет открывать и закрывать челюсть. Также необходимо было расширить челюсть удильщика, так как рот у морского черта огромный, с множеством острых, загнутых внутрь зубов. (Рисунок 5.1.1, Приложения)

За работу механизмов отвечает средний мотор. Мотор передаёт вращение на коронное зубчатое колесо, то в свою очередь переходит в зацепление с прямозубой шестеренкой с двадцатью зубьями, меняя плоскость вращения и понижая скорость. (Рисунок 5.1.2, Приложения) Шестерня вращает ось, а вместе с ней приводит в движение нижнюю челюсть. На верхнюю челюсть энергия передается при помощи зубчатой передачи. (Рисунок 5.1.3, Приложения)

Главным отличием удильщиков является их видоизмененный спинной плавник, который свисает недалеко от рыбьей пасти, на которого приманка в виде фонарика. Роль приманки играет датчик цвета, который будет реагировать на внешнее освещение, определяя тем самым глубину. (Рисунок 5.1.4, Приложения)

Также в пасти установлен инфракрасный датчик, при помощи которого мы будем измерять расстояние до дна.

Удильщики ведут малоподвижный образ жизни и в основном лежат на дне. Они имеют плотные боковые плавники, которые упираются в дно, когда рыба лежит. Они довольно мощные и позволяют рыбам не только зарываться в донный грунт, но и перемещаться по нему ползком или с помощью своеобразных прыжков. В нашей конструкции в движение плавники приводятся при помощи зубчатой передачи. Ведущими зубчатыми колесами являются шестеренки, которые находятся на одной оси с нижней челюстью. (Рисунок 5.1.5, Приложения)

После того, как мы проработали все механизмы, был установлен блок EV3, который является телом нашего морского черта. Далее сконструировали и установили хвост. (Рисунок 5.1.6, Приложения)

5.2. Управление удильщиком при помощи программы

Для того чтобы удильщик ожил, необходимо его запрограммировать. Используем для этого программное обеспечение LEGO Mindstorms.

Мы внимательно изучили образ жизни глубоководного удильщика и создали программу, которая наглядно продемонстрирует его поведение.

Отталкиваясь от того, что удильщики обживают большие глубины, и приспособлены к темноте, наша задача была запрограммировать датчик цвета, который будет реагировать на интенсивность освещения и передавать сигнал на мотор.

Так же мы учли тот факт, что процесс охоты у удильщика происходит на дне. Для этого был установлен инфракрасный датчик, измеряющий расстояние.

Поделим программу условно на две части:

Удильщик открывает пасть, как только погружается в темноту

Начинает смыкать и размыкать челюсть, двигать плавниками, как только оказывается на дне

За первую часть программы отвечает датчик цвета в режиме «яркость внешнего освещения». Освещение измеряется от 0 до 100, где 0 это темно, а 100 - светло. Как только мы опускаем рыбу на «глубину» - показатель меньше 5, то рыба должна открыть пасть, готовясь к охоте при этом издавая характерный звук.

Но перед тем как открыть челюсть, мы должны убедиться в том, что она сомкнута. Для этого мы должны измерить градус поворота мотора. Если мотор повернут в интервале от -5 до 25 градусов, то пасть закрыта.

Так же используя в первой части программы блок «Вывод на экран», мы можем наблюдать изменение градусов поворота мотора на экране блока EV3.

Вторая часть программы срабатывает в том случае, если измерения с инфракрасного датчика меньше 20. Это означает, что удильщик практически находится на дне и можно начинать охоту. В этом случае морской черт интенсивно работает плавниками пастью, пытаясь поймать добычу.

Программа находится в цикле, таким образом оба датчика постоянно опрашиваются. (Рисунок 5.2.1, Приложения)

Заключение

На самом дне морей и океанов, где вода ледяная, давление достигает колоссальных значений, а количество пищи минимально, обитают глубоководные рыбы–удильщики. Мы выбрали эту тему для исследования, что бы понять, как они выживают в таких суровых условиях жизни.

В процессе выполнения нашей работы мы изучили строение и образ жизни глубоководного удильщика. Сконструировали свою демонстрационную модель, со сложными механическими передачами, моторами и датчиками.

Мы запрограммировали конструкцию, изучив особенности поведения морского черта. Как только он опускается на морское дно, то есть погружается в темноту, датчик цвета реагирует и челюсть размыкается - морской черт готов к охоте. Сам процесс охоты происходит на самом дне, как только инфракрасный датчик оповестил о том, что рыба максимально приблизилась ко дну, челюсть и плавники удильщика начинают интенсивно работать, пытаясь поймать добычу.

Наша работа может быть использована на уроках робототехники и биологии.

Список литературы

1.Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа -https://vk.com/mrbrain_tmn;

Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;

3.Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego-конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

4.Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.

5. https://wildfauna.ru/udilshhik

6.https://delta29.ru/snaryazhenie/morskie-cherti-udilshhiki-opisanie-ryby-gde-voditsya-chem-pitaetsya.html

7. https://rybki.guru/ryba/osobennosti-ryby-udilshhika.html

8. https://simple-fauna.ru/fish/morskie-cherti/

Приложения

Рисунок 1.1, Глубоководный удильщик

Рисунок 1.2, Удильщик самка с иллиций («удочкой»)

 

Рисунок 1.3, Голова и зубы морского черта

 

Рисунок 1.4, Скелет удильщика

Рисунок 2.1, Удильщики – обитатели дна

Рисунок 3.1, Удильщики ведут малоподвижный образ жизни

Рисунок 3.2, Перемещаются по дну при помощи передних плавников

Рисунок 4.1, Удильщик охотиться

Рисунок 5.1.1, Голова глубоководного удильщика

Рисунок 5.1.2, понижающая зубчатая передача с изменением плоскости

Рисунок 5.1.3, Движение челюсти, при помощи зубчатой передачи

Рисунок 5.1.4, Датчик цвета

Рисунок 5.1.5, Движение плавников, при помощи зубчатой передачи

Рисунок 5.1.6, Глубоководный удильщик из LEGO

Рисунок 5.2.1, Программа глубоководного удильщика

 
Просмотров работы: 27