MAKERBOT案例系列:制造机器人潜艇,利用MAKERBOT重塑STEM学习模式

了解卡尔海登高中(Carl Hayden)的机器人团队如何使用3D打印来突破STEM学习的界限——掌握在瞬息万变的世界中确保取得成功的技能。

 

高中机器人团队从未如此受欢迎过,美國亚利桑那州凤凰城的猎鹰机器人团队(Falcon Robotics)由9至12年级学生组成,他们才华横溢,也许没有一个团队比他们更让人印象深刻,也没有一个团队比他们更出名。Faridodin “Fredi” Lajvardi是卡尔海登高中的一名海洋科学教师,在他的指导和激励下,猎鹰机器人团队在2004年与众多高中和大学展开角逐,在不被看好的情况下一举拿下全国冠军,从而声名鹊起。该校的成绩让STEM机构感到震惊,“ABC晚间报道”和《连线》杂志对他们的故事进行了广泛报道,甚至2015年的电影《拼凑梦想》(Spare Parts)还对他们的故事进行了演绎。多年后的今天,猎鹰机器人团队已成为FIRST机器人系列的巨擘,并开始涉足机器人潜艇竞赛,比如由美国海军研究办公室(Office of Naval Research)和国际无人机系统协会(AUVSI)发起的RoboSu竞赛。“猎鹰机器人团队有点像一个小公司”指导员Fredi如是说。

 

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“不同的团队之间进行合作,设计诸如导航软件或推进系统之类的东西,先解决较小的问题,然后将它们结合在一起,以解决竞赛设定的更大的挑战。” 随着创客空间的不断增长,该团队得以使用可靠且直观的MakerBot 3D打印机,能够以极快的速度制作机器人原型,同时学习新的技能。

 

车间课堂过去常用来建造香料架,现在机器人课堂制作无人潜艇原型

 

该俱乐部划分为3D设计、机械、软件和营销团队,配备有一个计算机实验室和一个创客空间,创客空间内有一台数控控机床和3台MakerBot打印机。年复一年,他们不断对其机器人潜艇HABOOB(阿拉伯语,沙尘暴的意思)进行更新换代,并提高潜艇在水下自主执行不同任务的能力。在他们拥有3D打印机之前,他们不得不通过当地的机械工厂用金属制造各种机器人零件,或者将其外包给3D打印服务公司。虽然这些外包的零件可以使用,但是在其设计创造外包出去的情况下,学生们就无法获得实际动手的实践经验、设计所有权以及所需的反馈信息。此外,金属制造或3D打印零件的外包成本高昂,耗时数周,而且不利于对不同的迭代产品进行调整。

 

一旦学生们能够自己在内部制造零件,他们就会对MakerBot打印机能够如此容易迅速地交付实物感到震惊。在谈到这种变化如何影响团队的学习成果时,Fredi解释说,“打造实物所需的时间和技能减少了,学生们的学习周期相应增加了。他们能够再一次全心投入,进行设计修改,或者迎接新的挑战。”在机器人竞赛这样的工程类竞赛中,速度是至关重要的,而MakerBot打印机的应用使猎鹰机器人团队能够尽早经历失败,从错误中吸取教训,并快速改正错误——从航空航天到消费品设计,各个行业的研发项目要获得成功,都需经过这一过程。充分利用MakerBot打印机加速了原型制作和设计周期,正如其加速学生的学习进程一样。

 

解决问题是目标,3D打印机是工具,机器人技术只是媒介

 

HABOOB是各种学习方式和实现STEM目标的载体。设计一个有效的鱼雷发射器不是为了训练团队适应某些特定职业,而是为了训练他们适应任何职业。在设计鱼雷时需要计算机辅助设计(CAD),需要利用物理学知识来计算其重心和浮力,但真正的经验在于知道如何处理问题,如何正确地利用自己的所有技能和资源,坚定不移地钻研,直至问题得以解决。Fredi总结得很好,他指出,“学生们在这个俱乐部培养起来的人际关系和分析能力,将使他们在任何工作、任何行业中取得成功。” 3D打印是一个非常宝贵的工具,可以提高学生的参与度,并发掘他们动态思维的潜力。起初,猎鹰团队的鱼雷平衡性欠佳,流体力学性能较差,而且发射机制不可靠。

 

通过使用各种MakerBot打印机,他们在一周内就能对设计进行测试和完善,完成一个原本需要一个多月才能完成的挑战。该团队的3D打印机充分发挥其无限潜力,但它们也是其适应性思维的象征。从组织潜艇机载电子设备的内部点阵到支持电池和推进装置的外部零件,HABOOB的设计易于修改,以便猎鹰团队在明年接受挑战时,可以在不进行全面检修的情况下3D打印新的定制零件。直观的软件和可靠的硬件对于创客空间至关重要,而且对于在巨大压力下建造潜艇的机器人团队来说尤其重要。MakerBot始终走在前列,不断进行创新,缩短了学习曲线,简化了工作流程,所有这些都是学校采用3D打印技术并充分利用其价值的必要条件。

 

使用MakerBot,像学生一样学习,但表现得更像专业人士

 

对于那些应对自动驾驶汽车设计的技术挑战的工程师们,人们很容易心生敬畏,但如果知道这些工程师还只是10年级的高中生的话,人们会更加感到不可思议。通过MakerBot的解决方案,猎鹰机器人团队能够更快地学习,提高他们的STEM技能,并获得更广泛的解决问题的技能——所有这些都是在处理专业水平的快速原型和工程问题的过程中实现的。MakerBot生产的产品能够让这个才华横溢的团队将他们的想法转化为创新成果,而不用担心失败,MakerBot为此感到自豪。


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