BioS_2014_2_OE_Wegner

PLANET MARS
- UNSER „NACHBAR“ IN 228 MIO. KILOMETERN ENTFERNUNG AUFGABENSTELLUNG:

Die
Lies den Text und versuche mit Hilfe der vier Fragen eine Lösung zu finden.
NASA
hat
im
Rahmen
ihres
Quest-Programms
eine
sience
challenge
ausgeschrieben. Die Aufhabe in diesem Wissenschaftswertbewerb besteht darin, eine
Orientierungshilfe für Roboter zu entwickeln.
Die Erforschung des Mars ist eine der wichtigsten Forschungsaufgaben des 21.
Jahrhunderts. Indem wir die Entstehung und Entwicklung des Mars erforschen und
verstehen, können wir viel über unsere eigenen Ursprünge in Erfahrung bringen. Die NASA
plant für die nächsten Jahrzehnte einige robotergestützte Erkundungsmissionen zu unserem
Nachbarplaneten. Im Rahmen eines Wissenschaftswettbewerbs soll ein möglichst einfaches
und
selbstständig
agierendes
Wegfindungssystem
entwickelt
werden,
das
die
kameragestützte Orientierung der Roboter ergänzt. Dies ist notwendig, da die Funksignale
eines Roboters ca. 14 Min. benötigen, um die Stecke zwischen Erde und Mars zu
überwinden. Die Fernsteuerung eines Roboters von der Erde aus ist somit nur eingeschränkt
möglich. Das zu entwickelnde System muss für die Orientierung auf Sensoren zurückgreifen,
die den Nahbereich des Roboters erfassen.
Vier Fragen, die dabei helfen, eine Lösung zu finden:

Wie orientierst du dich, wenn du dich durch einen dunklen Raum bewegst?

Welche Tiergruppe könnte als Vorbild für solch eine Orientierungsform dienen?
(Tipp: Die Robotik orientiert sich besonders an einer „krabbelnden“ Tiergruppe)

Welche Organe nutzt diese Tiergruppe, um ihre nähere Umgebung wahrzunehmen?

Welche Möglichkeiten gibt es, diese Organe und deren funktionsweise technisch
nachzubauen?
(Tipp: Eine mögliche technische Lösung findet sich in jedem Raum und an allen
elektrischen Geräten.)
TOTENKOPFSCHABEN – MIT (GE)FÜHL ZUM ZIEL
- WIE ORIENTIEREN SICH TOTENKOPFSCHABEN? AUFGABENSTELLUNG:

Lies den Informationstext und bearbeite anschließend die Punkte 1 – 3.
INFO:
Die ursprünglich in Mittel- und Südamerika heimische Totenkopf- oder
Riesenwaldschabe (Blaberus craniifer) gehört zur Ordnung der
Schaben (Blattodea). Die Körperlänge der weiblichen Tiere beträgt ca.
5 cm. Durch seitlich und nach hinten überstehende Deckflügel
erreichen die Tiere sogar eine Gesamtlänge von 6 cm und eine Breite
von 3 cm. Damit zählt die Totenkopfschabe (Blaberus craniifer) mit zu
den größten Schabenarten. Ihr auffälliger Halsschild ist braun gefärbt
und trägt einen schwarzen Fleck. Der dunkle Fleck kann einige
Aufhellungen besitzen und dann einem Totenschädel ähneln, was den
Namen „Totenkopfschabe“ erklärt.
VERSUCH – WIE ORIENTIEREN SICH TOTENKOPFSCHABEN?
MATERIALIEN:


Versuchsarena (Plastikschüssel)
Versuchstiere (Box mit Totenkopfschaben, Pinzette)
1. VERSUCHSVORBEREITUNG / VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
a. Greife mit der Pinzette oder mit deiner Hand vorsichtig eine Totenkopfschabe und
setzte sie möglichst mittig in die Kunststoffschale. Beobachte, welches Verhalten die
Totenkopfschabe zeigt. Wiederhole den Versuch 2-3 mal und vergleiche deine
Beobachtungen.
b. GEDANKENEXPERIMENT!
Entferne einem Versuchstier in Gedanken eine Antenne und führe den Versuch dann
in Gedanken erneut durch.
1
TOTENKOPFSCHABEN – MIT (GE)FÜHL ZUM ZIEL
- WIE ORIENTIEREN SICH TOTENKOPFSCHABEN? 2. BEOBACHTUNGEN
Zeichne die von dir beobachtete (a.) und die vermutete (b.) Laufrichtung der Schaben
entlang der Arenawand in das Schema ein.
Kann die Orientierungsrichtung einer der beiden Schaben klar vorhergesagt werden?
Wenn ja, warum? Wenn nein, warum nicht?
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Welche anderen Faktoren könnten einen Einfluss auf die Orientierung der Schaben
haben?
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3. DEUTUNG
Welchen Einfluss haben die Antennen auf die Orientierung der Schaben und wie könnte
sich diese Beobachtung erklären lassen?
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2
BEETLE-BOT – ANECKEN ALS ANHALTSPUNKT
- WIE ORIENTIERT SICH DER BEETLE-BOT? AUFGABENSTELLUNG:
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Lies den Informationstext und bearbeite anschließend die Punkte 1 – 4.
INFO:
Der Beetle-Bot gehört zu den BEAM-Bots und besitzt die
Fähigkeit, sich mit Hilfe seiner Antennen in einem Raum
mit Gegenständen zu orientieren. Die Idee und das Design
des Beetle-Bots orientieren sich an dem „BeetleBot v2“
von Jérôme Demers (2001). Angetrieben wird der Roboter
durch zwei Gleich-strommotoren. Die Motoren werden
von zwei Tastschaltern (Antennen) gesteuert. Die
Berührung einer Antenne wirkt sich auf die Drehrichtung
des zugehörigen Motors aus.
VERSUCH – WIE ORIENTIERT SICH DER BEETLE-BOT?
MATERIALIEN:


Versuchsarena (Holzkasten, sandgefüllte Dosen)
Beetle-Bot (Bausatz)
1. VERSUCHSAUFBAU
a. Konstruktion des Beetle-Bots
1. Befestige zuerst die beiden Motoren in den hierfür vorgesehenen Spangen. Achte
darauf, dass auf einer Seite der Pluspol und auf der anderen Seite der Minuspol
eines Motors nach vorne zeigt.
2. Die Verkabelung des Beetle-Bots gelingt am einfachsten mit der folgenden Skizze.
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BEETLE-BOT – ANECKEN ALS ANHALTSPUNKT
- WIE ORIENTIERT SICH DER BEETLE-BOT? b. Versuchsarena
Verteile einige sandgefüllten Dosen (Hindernisse) auf der Holzplatte.
2. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
Platziere den Beetle-Bot in einer Ecke der Versuchsarena, schalte ihn ein und beobachte,
wie er sich durch die Arena bewegt.
3. BEOBACHTUNGEN
Zeichne die Rotationsrichtung der Motoren und die Bewegungsrichtung des Roboters in
das vorhandene Schema ein.
TIPP: Du kannst dich am ersten Beispiel orientieren und die hier verwendeten
Symbole nutzen, um die darauf folgenden Beispiele zu bearbeiten.
4. DEUTUNG
Welches Verhalten zeigt der Beetle-Bot, wenn seine Antenne einen Gegenstand berührt?
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TOTENKOPFSCHABE VS BEETLE-BOT
- VERGLEICH VON TASTROBOTER UND INSEKT? VERGLEICH
Insekt
Beetle-Bot
Auf den Antennen eines Insektes befinden sich
viele kleine Haare. Diese Haare ermöglichen es
dem Insekt Berührungen wahrzunehmen. Jedes
Haar steckt in einem „Haarschaft“, der es dem
Haar ermöglicht sich zu bewegen. Der
sogenannte Tubularkörper dient als Bindeglied
zwischen dem Haar und der Rezeptormembran
der Sinneszelle. Die Rezeptormembran besitzt
druckempfindliche Poren. Bei einer Berührung
des Haares wird die Haarposition verändert.
Diese Positionsänderung führt zu einem Zug
oder Druck, der durch den Tubularkörper an die
Rezeptormembran der Sinneszelle weitergegeben wird. Die druckempfindlichen Poren
öffnen sich und ein Nervenimpuls wird generiert
– das Insekt spürt eine Berührung.
Der Beetle-Bot nutzt einen Wechselschalter, um
Berührungen „wahrzunehmen“. Der Wechselschalter besitzt einen langen außen liegenden
Schalthebel, der in einem Scharnier befestigt ist.
Der außen liegende Schalthebel steht über ein
Verbindungstück mit einem innen liegenden
kleineren Schalthebel in Kontakt. Wird der
große, außen liegende Schalthebel durch Druck
betätigt, wird dieser Druck durch das
Verbindungsstück auf den inneren, kleineren
Schalthebel übertragen. Der kleine Schalthebel
verändert seine Lage, was zu einem veränderten
Stromfluss führt. Der veränderte Stromfluss
wirkt sich auf die Drehrichtung des zugehörigen
Motors aus. Der Beetle-Bot „ertastet“ seine
Umgebung.
Verbinde im folgenden Schema funktionell ähnliche Strukturen mit einem Pfeil:
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