【仿生STEAM教育】Mr. Bug跨域科學班-第四堂「仿生蚱蜢實驗」



如何讓蚱蜢聽話做實驗

過去在做生物和物理的跨領域研究探討昆蟲行為時，一個實驗很難突破的困境就是「動物無法聽話」，這其實是有生命的生物體研究常有的問題，無法讓牠們像是無生命的物體任意操弄做實驗，這樣只有觀察數據所描述的現象，也會被人質疑無法真實的驗證生物行為現象的因果關係與機制。

圖一、左：台灣大蝗（Chondracris rosea），Source: flickr Len Worthington。右：仿生蚱蜢

設計一個仿生蚱蜢可以解決動物不聽話的問題。科學教室依照台灣大蝗（Chondracris rosea）的形體設計一個立體的機械結構，透過3D列印在教室製造出來。這個仿生蚱蜢有模擬真實生物的跳耀後足，可以隨意的彎曲活動，在橡皮筋的彈力牽引下，就可以彈跳而出，有如真實蚱蜢的跳躍行為。然而有了形體和動力，我們仍然困惑仿生蚱蜢為什麼橡皮筋彈力再大都跳不遠，經過百般思考和探究才終於想通，仿生蚱蜢缺乏了麻擦力，所以都會一直打滑跳不出去，用個黏性物質貼在腳底板，這個問題就迎刃而解。

圖二、左：仿生蚱蜢大改造。右：量測跳躍距離

動物行為和物理的探究實驗課程

這個仿生蚱蜢可以任意的改造，調控它的彈力、摩擦力和大腿關節活動的各樣參數，解決老師從前在研究時不好操弄動物活體的困境。所以在課程中我們可以很容易導入科學實驗法，逐步觀察一個控制變因如何造成一個應變變因的改變，看仿生蚱蜢腳底板的黏性物質越來越多層，摩擦力隨之增加的情況下，蚱蜢跳躍行為－距離遠近和方向如何隨之改變。找到摩擦力最佳參數後，再來實驗彈力增加、髖關節與膝蓋關節聯動與身體左右協調如何影響到仿生蚱蜢的跳躍行為表現。

從科學走到工程改造的實作歷程

在科學化有系統地收集完各項參數數據後，接下來就是仿生蚱蜢田徑大賽，這時學生就要運用之前實驗的資訊為參考，思考如何動手改造仿生蚱蜢，讓它能夠跳得更遠。孩子也會腦力激盪想想有什麼其他方式可以增加摩擦力，讓蚱蜢更能穩固的跳躍；或是思考橡皮筋要如何帶動腿部關節運動產生更大的爆發彈力；還是左右腳協調運動更能平衡彈射。這樣在任務導向式的活動訓練，刺激孩子思考整合所學的科學知識與技能，然後轉化運用到任務完成，讓學習與生活有一個更好的連結。

影片一：仿生蚱蜢不同的跳躍姿態