@ 2017.03.24 , 15:00

用乐高机器人辅助教学,实现实验室自动化

为了让喜欢机器人的孩子们对生命科学更感兴趣,同时也让喜欢生命科学的孩子更对机器人感兴趣,斯坦福的研究人员设计了一套用于化学实验自动化的机器人DIY工具套件。利用乐高Mindstorms EV3套装和一些塑料注射器,学生们可以搭建测量和转移液体的机器人,使他们的课堂实验任务自动化。这个套装的搭建说明发表在本周二的Plos Biology期刊上。

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“对我来说,最关键的是我们将深受孩子们和教师喜爱的机器人学教育和生命科学教育进行了融合。”本项目的带头人,斯坦福大学生物工程学家Ingmar Riedel-Kruse表示,“学习应该是有趣的。如果你能用一台有趣的机器人去完成化学或者生物实验,可能会更加有趣。”

Riedel-Kruse和它的团队使用廉价的注射器和乐高Mindstorms EV3——一套价值390美元的乐高套装,其中包含一台小型可编程计算机,多个电机、传感器和连接线缆,搭建了搭建了湿实验室(译者注:wet-lab,指通过分子、细胞、生理学试验方法进行研究的实验室,与干实验室相对)机器人。团队通过对机器人进行设置,使其可以将注射器从一个试管取出液体,移动到另一个试管并将液体放入。通过编程,这台机器人吸取液体的精度可达微升量级。

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项目团队面向小学、中学和高中生小组测试了他们的机器人。其中一个由年龄在10到11岁左右的小女孩组成的小组是最年幼的小组,她们在老师的帮助下,搭建起了最简单版本的湿实验室机器人。来自高中的小组搭建起了更为复杂的机器人,包括一个带固定式注射器和可移动多孔板(多孔板上有方井状的多孔结构用于存放液体,是生命科学实验室中的基本仪器)。

这套机器人可通过编程实现多种基本科学实验,例如混合有色溶液,比较溶液的pH值,测量溶液的色度,展示不同盐浓度的溶液是如何分层的,而非混合在一起。

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Riedel-Kruse表示,他希望将机器人带到生命科学的课堂里。美国国家自然科学基金奖励他和他的合作者近90万美元,用于编写教材,并在未来三年内向学校发放机器人套装。在一个叫做Learningtech.org的非营利性科技教育组织的帮助下,Riedel-Kruse团队首先将开展一项课后项目,来自美国旧金山湾区初高中的十余名教师参与其中。Riedel-Kruse希望该项目将扩大到加州以外。

这个项目的目标是让孩子们同时接触生命科学和机器人学,希望他们在他们的职业生涯中可以兼顾二者。Riedel-Kruse说,“有些学生有编程的天赋,有些有研究生命科学的才能”,这是可以使二者结合的一种方式。

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Mindstorms(头脑风暴)这一概念源于麻省理工学院Seymour Papert教授1980年撰写的著作。在这本名为《头脑风暴:孩子,计算机与强大的思想》的著作中,Papert提出计算机可以增进学习过程。受这一想法启发,来自于麻省理工学院媒体实验室的成员开发了可编程乐高套装,随后,乐高集团将其商业化。

第一代乐高Mindstorms建筑套装于1998年推出。乐高在2013年发布了产品的最新版本——EV3。通过重新设计,该公司旨在使这套玩具更加容易编程控制。事实上,一些玩家已经设法绕过套装自带的控制器,用他们自己设计的控制器进行替换。

借助他们处理液体的乐高机器人,Riedel-Kruse及其团队也许可以将Papert的愿景传达到湿科学领域:让学生通过搭积木和编程来学习化学和生物学。

本文译自 IEEE,由译者 荔枝冰糖葫芦 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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