进化游戏:用基本的电子设备建造生物

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简介:进化游戏:用基本的电子设备建造生物

简介:UDEM高中设计思维教授和创客空间负责人

“进化”和“自然选择”的概念能用基本的电子学解释吗?我想是的!更棒的是,它充满了乐趣!

通过这个Instructable,我教我的学生们建立他们自己的3D打印生物,并通过4个有趣的游戏,让他们用直流电机运动,彼此竞争(模拟在自然中生存的斗争)。

在项目完成后,学生将学习生物主题,基本电子学和快速原型设计过程。


*免责声明:(1)这个Instructable的灵感来自于InstructableTomoDesigns - Tinkercad战斗机器人2022年Tinkercad教学挑战赛冠军。(2)这个Instructable不是一个学习如何从零开始在3D中绘制的教程,如果你想了解更多,你可以先咨询TinkerCAD 3D设计入门教程

供应

软件CAD:

  • Tinkercad 3D设计
  • Tinkercad电路(可选)

软件凸轮:

  • Ultimaker Cura 3D(用于3D打印)

工具:

  • 镊子
  • 热硅胶枪
  • 3D打印机(我用的是Creality CR-10S 3D打印机)

电子元件:

材料:

  • PLA 1.75 mm (3D打印长丝)
  • 硅胶(用于硅胶枪)
  • 2节AA电池

*本项目不需要对电子元件进行焊接或编码!

第一步:了解自然选择

我们将尝试模仿或代表生物学家查尔斯·达尔文(Charles Darwin)所阐述的进化论,该理论阐明了几十个曾经属于形而上学的问题,我们可以简单地总结如下:当前的物种是不断适应环境的结果基于一种逻辑成功而且失败

澄清物种的适应和进化,我们很容易相信,当我们谈论进化时,我们指的是同一种有机体,随着时间的推移发生变异,以最佳地适应其环境。然而,这是一个很大的错误;生物不会通过变异来适应环境。幸运地生来“与众不同”(基因突变帮助它们更好地生存)的生物更有可能将这种“幸运”基因传递给下一代。这就是我们讨论的地方自然选择适者生存

成功和失败,试验和错误,我们以前在哪里听过?当然!在设计过程中设计思考这些都是基于原型设计测试而且精炼.正如你所看到的,我们用来设计所有人造产品的设计过程与自然界数百万年来用来创造所有有生命的东西的相同的基本策略是相关联的。变异选择而且继承).

第二步:介绍直流电机

也被称为爱好电机或刷直流电机是最基本的电机,用于各种类型的爱好电子产品,如模型飞机和火车。当电流通过直流电机时,它向一个方向连续旋转,直到电流停止。除非特别标记了+或-,直流电动机是没有极性的,这意味着你可以交换两根电线来逆转电机的方向。

把它想象成一个水磨,根据河流的水流(在这种情况下是电流或电子),轮子将沿着水流的方向转动。

正如我们在下面用Tinkercad电路制作的例子中所看到的那样。如果我们按常规(红正黑负)连接电线,电机将顺时针旋转。如果我们把导线交叉(红负极和黑正极)连接起来,电机就会逆时针旋转。

直流电机电流流实例

步骤3:Tinkercad直流电机模板

为了在设计过程中让事情更容易一些,我用Tinkercad 3D Designs为我的学生制作了一个直流电机+电池座的3D模型。

其思想是复制模型并将其作为模板来可视化您的最终设计。你甚至可以改变电机和电池座的安排!以最适合你的想法。

直流电机5v Steren MOT-165与AA电池座

步骤4:设计外壳

更好的是,通过为电子元件设计一个外壳,我们可以有一个“空白画布”,我们可以在上面添加给我们的生物形状的部件。

同时,外壳将有助于保持一切固定,并为电子元件提供更大的稳定性。

把围栏想象成你的生物的外壳或主体,鼓励自己重新设计它!

用于直流电机5v Steren MOT-165的外壳,带AA电池座

步骤5:设计生物

设计生物是最有趣的部分,尽管没有确切的程序来完成它(在自然界中一切都是如此)试验而且错误),我们只应坚持以下几个方面:

  1. 我们的生物需要一个平衡物:这将有助于将马达的旋转运动转化为振动运动,从而产生有助于整个生物移动的振动。
  2. 它还需要腿:为了改善我们的生物的振动(这会引起更多的运动),我们必须通过增加很少与地面接触的腿来将它与地面分开。

需要考虑的其他重要方面有:生物的重量,稳定性,地面的粗糙度,等等。我坚持这一切都是一个实验的过程。试验而且错误)享受这个过程,玩得开心!

生物直流电机5v Steren MOT-165与AA电池座

第六步:配重

配重是我们将粘在直流电机轴上的一小块。当它不断旋转时,它会引起振动,使整个结构振动(或摇晃),使我们的生物无规则地移动,没有任何明确的顺序。

在设计之前,使用测量卡尺正确测量电机轴的直径(在我们的情况下测量2毫米),并在绘制孔时确保添加一个+0.4毫米的公差,以确保3D打印将正确地适合(在结束我们的孔测量直径2.4毫米)。

*如果太松,你可以用硅胶让它更紧。

配重适用于带AA电池座的直流电机

步骤7:平衡体重变化

在设计配重时,重要的是它要小而重,它离旋转中心越远,振动就会越夸张。这可能导致生物进一步移动,但不稳定,使其失去平衡(或简单地说,平衡物可能在旋转时击中模型的另一部分)。

实验和测试是这个过程的一个重要部分,创造平衡重量的变化和3D打印它们,以测试哪一个最适合你。

带AA电池座的直流电机配重实例

8 .腿

如果我们的生物在只戴着外壳时颤抖,它就不会移动,为什么?因为外壳直接对着地面会造成太大的摩擦来稳定身材。有必要增加一些腿把它和地面分开。

然而,在设计腿的时候,我们有几个重要的方面需要考虑:

  1. 表面接触(和摩擦):我们的生物与地面的表面接触越多,它的移动就越少。因此,最好使用“末端是尖的或圆的”图形(卵形、金字塔等)来制作腿。细柱或低表面接触3D模式也可以使用。
  2. 稳定性:记住,你的动物会一直颤抖,所以它很容易失去平衡,倒向一边。你应该有策略地考虑将每条腿放在哪里,以确保良好的稳定性,而不影响与地面的接触(例如,一条腿在每个角落,或两条腿在前面,一条在中间的后面,等等)。

外部因素,如地面的粗糙度也会影响生物的移动,但在大多数情况下,这些都是我们无法控制的。就像大自然一样,最能适应环境的生物才能生存下来!

直流电机5v Steren MOT-165的腿,带AA电池座

步骤9:模拟进化优势

你如何改进你的生物?如果你加上一条尾巴会发生什么?如果你让它变高或变重,会发生什么?找到进化优势的最佳组合取决于你!试着找到稳定和移动之间的最佳组合。

记住生物会适应它们的环境(我们不会让环境适应我们的生物),只有最强壮的人才能生存下来。

步骤10:导出3D打印

一旦您对您的模型感到满意,就选择它(只选择与其他元素分组的框,*省去电机和电池座)及登入出口菜单。选择.stl这是3D打印最常见的格式。

步骤11:3D打印!

因为在这个特殊的项目中,我们将不断地制作一系列的3D打印测试。优化3D打印时间是至关重要的,所以我使用了一个1.0 mm直径的喷嘴,这使我可以将生产时间降低到常规时间的1/3(使用标准的0.4 mm喷嘴)。

我的打印参数是:

  • 材料:解放军+
  • 喷嘴尺寸:1.0 mm
  • 层质:0.32 mm
  • 墙线数:2
  • 水平扩展:-0.2 mm
  • 填充:20%网格图案
  • 挤压温度:190℃
  • 热床温度:50℃
  • 打印速度:50毫米/秒
  • 支持:是(45度自动)
  • 粘连:边缘

步骤12:组装和连接

这是一个相当简单的电子项目,因为不需要焊接,只需要连接几根电线:

  1. 首先,你必须连接从电池适配器到直流电机端子的电线,如果电线股太短,你可以使用剪镊子(小心地)取下电线的塑料盖。
  2. 现在把导线穿过(直流电机的)端子环,把导线绕在自己周围形成一个结。最好将红色的电线连接到标有相同颜色的端子上,但这取决于你的选择。
  3. 一旦两根电线都连接到直流电机终端,小心地线圈电缆为一个整洁的完成。
  4. 用一点热硅胶,把电机粘在电池支架上。确保电机销在外面。
  5. 将配重插入直流电动机销中,必要时用热硅胶紧固。
  6. 将电池添加到电池座,但是…不要连接电池座扣(它将作为我们的开/关开关)。
  7. 现在它可以把我们的电子元件装进我们3D打印出来的外壳里。
  8. 一旦一切都准备好移动,连接电池座snap和测试你的设计。

步骤13:活着!(或者至少它会动)

如果一切都很顺利,你的生物在第一次工作时,它现在应该移动!现在让我看看……自然界中的生物通常做什么?我们如何通过有趣的3D打印生物游戏来模拟它们的行为?

我们知道,在自然界中,每一种生物的生存本能驱使它们做出某些行为,例如:

  • 躲避捕食者,寻求庇护
  • 寻找配偶来繁殖后代
  • 寻找食物
  • 争夺领土

下面我们将看到如何使用这些方面。

步骤14:进化游戏

猎人与猎物:

  1. 设置计时器(如1分钟),将两个生物放置在棋盘上的不同位置。
  2. 定义这两种生物中哪一种是猎物,哪一种是猎人。
  3. 启动计时器,打开生物,如果猎物在计时器结束时逃跑,它就赢了!如果它在之前被抓住,猎人就赢了。
  4. 专家提示:为了获得更多的难度,在板子上的随机空间中放置不可移动的障碍!
  5. 专家提示:添加更多的猎物,看看有多少能在最后存活下来!


争夺领土:

  1. 在黑板中间画一个大圆圈或边界。
  2. 在里面放置一些生物。
  3. 所有动作同时开始。
  4. 最后一个留在圆圈里的生物获胜!
  5. 专家提示:尝试重新设计与不同的纹理板!


寻找伴侣:

  1. 将两对不同的生物放置在棋盘的相反角落或方向。
  2. 同时开始他们的运动。
  3. 最先找到对方的那对就赢了!
  4. 专家提示:如果一对中的一员被淘汰(留在棋盘外),那一对自动输掉比赛。


争抢食物:

  1. 在棋盘的两边各放一个生物。
  2. 在板子上随机放置几个食物块(用杯子把它们扔掉)。
  3. 同时开始运动。
  4. 当一个生物接触到食物块时,它会保持它(用你的手把它从板上拿开)。
  5. 最后得到最多食物的动物赢得比赛!
  6. 专家提示:设计和3d打印不同的代币,并分配给每个不同的营养价值。最后得分最多的生物获胜!
  7. 专家提示:添加有毒的食物块,如果生物接触到它们,它将退出游戏!

第15步:谁将赢得进化竞赛?

你可以看到你的生物移动不规律,即使我们可以预测它们的移动,我们也无法控制它们,因为它们取决于我们设计的外部条件。所以…你如何制定取胜的策略?或者更确切地说,你是否能够形成取胜的策略?或者是全部“只是运气”。

生活以一种神秘的方式运转,超出了我们的控制,只有那些足够幸运的人才能生存下来,但是……如果游戏规则改变了,他们还会活着吗?

步骤16:参考资料

  1. 查罗纳,J.和机构,S.(2019)。技术实验室.范·哈伦出版社。
  2. Instructables。(2022年10月18日)。Tinkercad战斗机器人.检索于2022年10月21日,来自//www.sledutah.com/Tinkercad-Battle-Bots/
  3. (2018年9月12日)。Arduino为傻瓜(第二版)。假人。
  4. 沃森,理查德& Szathmáry, Eörs。(2015)。进化如何学习?生态学与进化的趋势。31.10.1016 / j.tree.2015.11.009。
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    2的评论

    不错的工作……如果用脸盖住前面的部分,那么它更漂亮,也不会伤害到孩子。

    0
    di_joseantoniosv

    4周前的回复

    谢谢!在发动机旋转的过程中,不太可能有人受伤,但安全总是好的。此外,添加一张脸会很有趣,但这取决于每个学生的创造力!:)