Czy z klocków Lego można zbudować profesjonalny model urządzenia pomiarowego wykorzystywanego w laboratoriach? Okazuje się, że tak. Wystarczyło 261 klocków i mały karton, by otrzymać konstrukcję działającego turbidymetru – prostego urządzenia służącego do pomiaru mętności roztworu używanego do analiz środowiskowych, mikrobiologicznych oraz przemysłowych wody. Jest to efekt współpracy członków działającej przy Uniwersytecie Śląskim grupy Unibot oraz Akademii Młodych Biologów „Lykeion” związanej z Pałacem Młodzieży w Katowicach.

Członkowie zespołu projektowego, od lewej: Mikołaj Karawacki, Karen Sornek, dr Joanna Foryś, dr Jacek Francikowski i Ireneusz Foryś

Unibot to jednostka edukacyjna należąca do Uniwersyteckiego Towarzystwa Naukowego – Wszechnicy Śląskiej działającej przy Centrum Kształcenia Ustawicznego Uniwersytetu Śląskiego. Tworzą ją wyłącznie osoby związane z Uniwersytetem Śląskim: wykładowcy akademiccy, doktoranci, studenci, absolwenci, członkowie kół naukowych oraz popularyzatorzy nauki, którzy testują, eksperymentują, konstruują i programują, wykorzystując kultowe klocki Lego. Przygotowując zajęcia dla młodzieży szkół podstawowych, gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych, a także dla nauczycieli, przekonują, że nauka wcale nie musi być nudna i skomplikowana. To, co dla nich najważniejsze – wiedza, rozwój, różnorodność – przekazują dalej… społeczności aglomeracji śląskiej. Unibot to jednostka interdyscyplinarna – łączy przedstawicieli wielu nauk Uniwersytetu Śląskiego, a jej nazwa powstała z połączenia dwóch słów: uniwersytet oraz robotyka.

Członkowie grupy Unibot nie tylko prowadzą zajęcia edukacyjne, lecz biorą również udział w projektach naukowych, których celem jest rozwijanie wyobraźni i umiejętności twórczych młodzieży. Jednym z projektów było skonstruowanie modelu turbidymetru służącego do pomiaru mętności roztworów opracowanego przy współpracy z Akademią Młodych Biologów (AMB) „Lykeion” działającą przy Pałacu Młodzieży w Katowicach.

– Urządzenie bada relację pomiędzy ilością światła emitowanego przez źródło – w naszym przypadku była to dioda pochodząca z zestawu Lego Power Functions – a ilością światła docierającą do detektora po przejściu przez kuwetkę laboratoryjną z próbką – mówi dr Jacek Francikowski z Katedry Fizjologii Zwierząt i Ekotoksykologii Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ, członek zespołu Unibota.

Jak dodaje, strumień światła, przechodząc przez badaną próbkę, ulega rozproszeniu w zależności od stopnia mętności badanej cieczy. Następnie jest on mierzony przez fotodetektor, a uzyskane dane przekazywane są przez jednostkę sterującą do oprogramowania Lego Mindstorms i zapisywane w pamięci komputera turbidymetru.

Idea zbudowania z klocków Lego urządzenia pomiarowego zrodziła się, gdy dr Jacek Francikowski zobaczył krótki materiał filmowy nagrany i opublikowany przez studentów jednego z amerykańskich uniwersytetów.

– Studenci wykorzystali w swoim laboratorium dźwigi pochodzące z zestawu Lego Mindstorms, aby zmechanizować proces cyklicznego zanurzania sztucznych kości w roztworach. Pomyślałem wtedy, że klocki Lego mogą służyć jako budulec dla modeli różnych urządzeń analitycznych nie tyle pomagających wykonywać pewne powtarzalne czynności w laboratorium, co wykonujących proste pomiary – mówi biolog. – Dzięki nim chcieliśmy pokazać uczniom, co to znaczy, że dane urządzenie służy do robienia konkretnych pomiarów – dodaje.

Model turbidymetru służącego do pomiaru mętności roztworu wykonany z klocków Lego

Zespół Unibota postanowił zatem stworzyć model mętnościomierza, zaczynając od klasycznej szarej płytki-podstawy o wymiarach 38,5 x 38,5 cm po to, aby uczniowie mogli nie tylko lepiej poznać jego działanie, lecz by również spróbowali zmierzyć się z wyzwaniem konstrukcji takiego urządzenia, mając do dyspozycji określony materiał, czyli klocki, czujniki, części mechaniczne i oprogramowanie z Lego.

– Założyliśmy już na początku, że będziemy budować modele wyłącznie z elementów produkowanych przez firmę Lego. Naszym celem jest popularyzacja nauki, dlatego każdy, kto ma dostęp do tych zestawów, może spróbować własnoręcznie wykonać kopię naszego modelu w domu czy w szkole podczas zajęć edukacyjnych. Ostatecznie w turbidymetrze znalazł się tylko jeden element zewnętrzny – kartonowe pudełko pełniące funkcję osłony diod, fotodetektora i kuwetki laboratoryjnej – wyjaśnia dr Joanna Foryś z Unibota, koordynatorka projektu.

Realizatorzy projektu zdecydowali się na użycie kartonu ze względu na funkcjonalność budowanego urządzenia – Czasem przegrywaliśmy z prawami fizyki. W tym przypadku pokonała nas… siła przyciągania grawitacyjnego. Planowaliśmy początkowo zbudować osłonę urządzenia pomiarowego także z klocków Lego. Ona jednak okazała się zbyt ciężka dla zastosowanych przez nas dźwigni, dlatego wykorzystaliśmy kartonowe pudełko – mówi Karen Sornek, uczennica liceum, członkini AMB z Pracowni Biologii i Edukacji Ekologicznej działającej przy Pałacu Młodzieży w Katowicach. – Przekonałam się, że nie każdą wizję da się przełożyć na rzeczywistość. Testowaliśmy też naszą cierpliwość. Najbardziej frustrujące były te momenty, gdy wiedzieliśmy, że urządzenie powinno poprawnie działać, a jednak… nie działało! – dodaje ze śmiechem.

Członkowie zespołu projektowego podkreślają znaczenie kolejnych problemów, jakie stawiała przed nimi realizacja projektu.

– Był to również test naszej kreatywności. Sprawdzaliśmy, które elementy działają zgodnie z założeniem, a które muszą być jeszcze poprawione lub zmodyfikowane. W pewnym momencie przestałem liczyć kolejne wersje prototypów i wprowadzania nowych rozwiązań – mówi Mikołaj Karawacki, student fizyki na Wydziale Matematyki, Fizyki i Chemii UŚ, członek Unibota.

– Nie poddawaliśmy się. Przygotowując ulepszone wersje projektu, powtarzaliśmy ciągle, że tym razem na pewno się uda! W końcu osiągnęliśmy cel! Gdy pojawiał się problem, rozwiązywaliśmy go wspólnie, dzięki burzom mózgów – dodaje mgr Ireneusz Foryś, koordynator Unibota.

Jednym z ważniejszych momentów, jak podkreślają konstruktorzy turbidymetru, było odkrycie, że urządzenie rzeczywiście wykonuje pomiar próbek wody. Porównywali mętność zawiesiny z rzeki Rawy z roztworami otrzymanymi na bazie soków owocowych i mleka. Gdy na ekranie monitora dostrzegli różnice danych w zależności od badanej próbki, zrozumieli, że urządzenie zaczyna działać zgodnie z założeniami projektu.

– Z mojej perspektywy najciekawszym zadaniem było jednak dopracowywanie funkcjonalności konstruowanego urządzenia. Bliska jest nam idea minimalizmu. Kończąc realizację projektu, zaczęliśmy szukać elementów, z których można zrezygnować, by maksymalnie uprościć model – tak jednak, aby urządzenie nadal poprawnie działało. To było niezwykle kreatywne zadanie, ale dzięki niemu mętnościomierz z klocków Lego może odtworzyć każde dziecko czy nauczyciel na całym świecie, bez względu na wiek czy umiejętności – podkreśla dr Joanna Foryś.

Urządzenie przypomina zatem prawdziwy laboratoryjny turbidymetr nie tylko swoją konstrukcją, lecz również tak samo działa. Można je wykorzystywać do wykonywania prostych pomiarów. Pamiętając o ograniczeniach, jakie nakłada wybrany materiał, czyli klocki Lego, próbkowanie jest jednak stosunkowo mało dokładne. Działanie urządzenia byłoby efektywniejsze, gdyby konstruktorzy zdecydowali się na dołączenie innych elementów, np. dokładniejszych zewnętrznych fotodetektorów, jednak pozostali wierni pierwotnym założeniom, zgodnie z którymi każda wykonana konstrukcja ma powstać wyłącznie z elementów produkowanych przez firmę Lego.

– Gdybyśmy wykorzystali w naszym modelu np. silniejsze źródło światła, wyniki pomiarów byłyby bardziej dokładne, ale nie zrealizowalibyśmy naszych założeń, zgodnie z którymi chcemy popularyzować naukę wśród uczniów, ucząc ich m.in. sposobu działania urządzeń pomiarowych poprzez własnoręczną ich konstrukcję – mówi mgr Ireneusz Foryś.

Instrukcja budowy i obsługi urządzenia już wkrótce będzie dostępna na stronie www.unibot.us.edu.pl.

Kolejnym realizowanym już przez zespół Unibota projektem jest konstrukcja sondy badawczej składającej się z akcelerometru, żyroskopu i magnetometru, barometru oraz czujnika temperatury i wilgotności, w którą zostanie wyposażony balon stratosferyczny. Model urządzenia, wznosząc się na wysokość około 30 kilometrów, będzie dokonywać pomiaru przyspieszeń, pola magnetycznego oraz prędkości kątowej, ciśnienia, wysokości, temperatury i wilgotności powietrza. Zgodnie z założeniami balon, osiągnąwszy tę wysokość, eksploduje, natomiast zadaniem ekipy konstruktorów będzie zlokalizowanie sondy i odczytanie dokonanych pomiarów.

– Na początku czerwca zamierzamy wypuścić balon stratosferyczny z sondą badawczą. Zadanie jest ekscytujące, ponieważ ze względu na koszty operacji będziemy mieć tylko jedną próbę. Czekamy na nią z niecierpliwością, a wszystkich zainteresowanych zapraszamy do udziału w tym wydarzeniu! – mówi dr Joanna Foryś.

Projekt pt. „Space Donkey – Usiołek w kosmosie” realizowany jest przez zespół Unibota przy współpracy ze studentami Uniwersytetu Śląskiego Młodzieży oraz laureatami konkursu „Eko-Race” zorganizowanego przez uniwersytecką jednostkę w ramach Śląskiego Festiwalu Nauki Katowice 2016.

Akademia Młodych Biologów „Lykeion” to projekt edukacyjny Pracowni Biologii i Edukacji Ekologicznej Pałacu Młodzieży w Katowicach, koordynowanej przez mgr Agnieszkę Kowalczyk we współpracy z mgr Krystyną Blaut-Howaniec. Akademia to jedna z najciekawszych inicjatyw edukacyjnych w Polsce – stwarza uczniom szkół gimnazjalnych i ponadgimnazjalnych możliwość współpracy z naukowcami przez 2 lata, w trakcie których uczniowie poznają świat nauki, jak również realizują projekty naukowe. Od roku szkolnego 2012/2013 opiekę merytoryczną nad projektem sprawuje dr hab. Edyta Sierka, prodziekan Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.