Robotik / Bionik

2. November 2021 | Wahlpflichtbereich

Was sind Robotik und Bionik?

Robotik und Bionik sind zwei moderne, aktuelle Forschungszweige, die jeweils traditionelle Bereiche der Naturwissenschaften vereinen und sich unter synergetischen Aspekten mit Problemen der Umwelt, Technik und Natur beschäftigen. Diese „vernetzten“ Wissenschaften sind in den letzten 20 Jahren entstanden und bieten vor allem bei umfassenden Problemstellungen Hilfen zur deren Lösung.

Die Robotik wird oft synonym mit der Mechatronik genannt. Sie setzt sich somit aus der klassischen Mechanik, der Elektronik und der Informatik zusammen. Beispiele, mit denen sich diese Disziplin befasst, wären das künstliche Herz, Roboterarme oder „intelligente Mechanismen, die mit der Umwelt agieren“, also das, was man umgangssprachlich unter einem Roboter versteht.

Das Wort Bionik integriert die Begriffe Biologie und Technik. Bionik als wissenschaftliche Disziplin befasst sich mit der technischen Umsetzung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme. Bekannte Beispiele sind hier der Klettverschluss, der Leichtbau oder der Lotus-Perl-Effekt.

Wie wird vorgegangen? Welche Methoden kommen zum Einsatz?

Die Inhalte des Differenzierungskurses bedingen eine Neukonzeption von Vorgehensweisen und unterrichtlichen Methoden. Der experimentell-problemorientierte Aspekt steht daher im Vordergrund. Planung, Bau, Programmierung, Test sind vorherrschende Arbeitsschritte, die unterbrochen werden von theoretischen, der Planung oder der Programmierung helfenden Phasen.

Das notwenigen informatische Basiswissen (z.B. Schleifen, Variablen, Listen) wird in überschaubaren Teilproblemen an technischen Geräten aus dem Alltag, die mit Fischertechnik-Baukästen konstruiert und programmiert werden, erlernt. Mechanische Konstruktionen (z.B. Übersetzungen mit Zahnrädern, Hebel, Motoren) können ebenso untersucht und verstanden werden. Die ersten Teilprobleme sind zudem so gewählt, dass an ihnen schon analoge Beispiele aus der Biologie erkennbar sind.

Im zweiten Schritt sind dann auf Grundlage der vorhandenen Basiskenntnisse Probleme zu bewältigen (z.B. Ausrichtung von Solaranlagen, Robotergang), die mithilfe biologischer Systeme (z.B. Blume, 2-, 4-, 6-Bein-Gang) gelöst werden können.

Partner- und arbeitsteilige Gruppenarbeiten sind gängige Unterrichtsformen. Einzelarbeiten und gemeinsames Unterrichtsgespräch werden vor allem zur Sammlung von Ergebnissen, zur Erläuterung von neuen Sachverhalten und zur Einübung neuer Techniken genutzt.

Inhalte der Jahrgangsstufe 9

  • Ein einfaches Programm – Der Händetrockner (Theorie und Praxis)
  • Nutzung von Ablaufplänen – Die Schiebetür (Theorie und Praxis)
  • Anwendung von Ablaufplänen – Die Parkhausschranke (Praxis)
  • Verwendung von Unterprogrammen – Erweiterung der Parkhausschranke (Theorie und Praxis)
  • Verwendung von Variablen – Die Parkhausschranke mit Geheimcodeabfrage (Theorie und Praxis; Verständnis und Nutzung analoger und digitaler Eingänge, Potentiometern und Widerständen)
  • Anwendung von Variablen – Die Temperaturregelung (Praxis); Anknüpfung an die Biologie: Warm- und Kaltblüter
  • Variablen, Bedienfelder, gleichzeitige Prozesse, digitale und analoge Abfragen, lokale Variablen – Das Museum (ohne Aufbau von Robotern – reine Programmieraufgaben; Theorie und Praxis)
  • Listen (Arrays), „Or & And“, Flip-Flop – Das Museum, Erweiterungssequenz (ohne Aufbau von Robotern – reine Programmieraufgaben; Theorie und Praxis)
  • Die mechanische Blume – Untersuchung von Temperatur und Helligkeit im Verlauf eines Tages (Anknüpfung an die Biologie; Praxis)
  • Die Wetterstation – Bau und Programmierung einer datenspeichernden Wetterstation, die maximale und minimale Windgeschwindigkeit, Sonnenscheindauer sowie maximale und minimale Temperatur aufnimmt (Praxis)
  • Montage einer Solarzelle – Untersuchung eines geeigneten Aufstellortes einer Solarzelle (Anknüpfung an die Solarzellentechnik; Praxis; AVU- und anderweitiger externer Expertenvortrag)

Gruppenteilige Projektarbeit: Das robotergesteuerte Metallverarbeitungswerk

Inhalte der Jahrgangsstufe 10

  • Der Laufroboter I – Problem des 2-, 4-, 6-Füße-Gangs; Identifikation des „Dreifußgangs“: ein Abgucken bei der Natur (reine Theorie)
  • Der Laufroboter II – Bionische Aspekte beim bisherigen Bau von Robotern, „Bionisches Problemlösen“ (reine Theorie; Arbeitsblattsammlung)
  • Der Laufroboter III – Einfache Vorwärtsbewegung (Praxis)
  • Der Laufroboter IV – Bewegung mit Links- und Rechtsdrehung (Praxis)
  • Der Laufroboter V – Bewegung mit Hinderniserkennung und Ausweichen (Praxis; ohne Vorgabe einer Bauanleitung)
  • Der fahrende Roboter I – Einfache Bewegung auf Rädern (Praxis)
  • Der fahrende Roboter II – Der Spurensucher (Praxis)
  • Der fahrende Roboter III – Der „Herzfahrer“: ein einfacher Wettbewerb (oder ein anderer schulinterner Wettkampf auf Grundlage der bisher gesammelten Programmier- und Konstruktionserfahrungen)
  • Der Laufroboter III – Aufbau des 6-, 4-, 2-Füße-Gangs (in dieser Reihenfolge); (Praxis)
  • Der Laufroboter IV – Aufbau des 6-Füße-Gangs mit Zurückfinden der Anfangsposition: die Ameise (Praxis)