Humanoide Roboter - Carl Friedrich von Weizsäcker-Gymnasium

Junge
Wissenschaft
Young Researcher
Humanoide
Roboter
Jugend forscht–Themen:
Auf Napoleons Spur // Es gibt immer einen Weg nach Hause //
Auf direktem Weg nach Hause // Energie aus der Wand //
Die vierte Dimension
Außerdem im Heft: Beim modularen Roboter lernen die Körperteile
einzeln // Der elektronische Küchenjunge lernt ständig dazu //
KISSWIN.DE unterstützt beim Weg in die Wissenschaft u. v. m.
Ausgabe Nr. 89 // 26. Jahrgang // 2011
Jugend forscht in Natur und Technik
The European Journal of Science and Technology
Innovative Experimente, wissenschaftliche Beiträge und spannende Ergebnisse:
Medienpartner des
Wissenschaftsjahres 2011
Das Magazin
für Nachwuchsforscher

4
Junge Wissenschaft 89 // 2011
Inhalt
10
Beim modularen Roboter
lernen die Körperteile einzeln
Das Labor für Neurorobotik in Berlin stellt den ersten humanoiden
Roboter vor, dessen Körperteile sich während des Betriebes vollständig
abnehmen und wieder anstecken lassen.
Editorial 3
Inhalt 4 – 5
Neues 6 – 9
Roboter helfen beim Verpacken 6
Geheimnis des schwarzen
Tees entschlüsselt 6
DaVinci operiert in Jena 7
Auf dem Weg zum triebhaften
Computer 8
Die besondere Nachricht:
Roboter fängt Lichtgestalten 9
Füchse richten sich beim
Mausen nach Erdmagnetfeld 9
Magazin I 10 – 15
Beim modularen Roboter
lernen die Körperteile einzeln 10
Der elektronische Küchenjunge
lernt ständig dazu 12
Wissenschaftsjahr 2011:
Kann Wissenschaft
Menschen heilen? 14
Wie aus Jungforschern junge
Wissenschaftler werden 15
Magazin II 60 – 74
KISSWIN.DE unterstützt beim
Weg in die Wissenschaft 60
Studium & Beruf:
Pharmatechnik & Chemietechnik 62
Dominosteine und Luftballons
lösen eine physikalische
Kettenreaktion aus 68
Solar Decathlon Europe 2010 70
Pharma- und Chemietechnik
als praktisches Ingenieurstudium 72
Buchrezensionen 73
70
Solar Decathlon Europe
2010
Studierende aus der ganzen Welt waren
aufgerufen, ein energieeffizientes und
innovatives Solarhaus zu entwickeln,
dessen Energiebedarf durch die Kraft
der Sonne gedeckt wird.
Jugend forscht 16 – 59
Auf Napoleons Spur
Spitzendreiecke mit
konstanten Innenwinkeln 16
Es gibt immer einen Weg
nach Hause
Spaziergänge auf Graphen,
aus denen Fraktale wachsen 24
Auf direktem Weg nach Hause
Mehrfache Optimierung in einem
Graphsystem 34
Energie aus der Wand
Herstellung von Farbstoff-
solarzellen zur Integration
in Wandflächen 42
Die vierte Dimension
Schnitte von Hyperkuben
und Hyperebenen im
mehrdimensionalen Raum 52

Auf Napoleons Spur
Der Satz von Napoleon, der sich mit
gleichseitigen Dreiecken befasst, die auf
den Seiten eines beliebigen Dreiecks aufgesetzt
werden, wird hier verallgemeinert.
Autoren: Dominik Wrazidlo, Manuel Plate
Es gibt immer einen Weg
nach Hause
Mathematiker laufen nicht auf Wegen
sondern auf Graphen. Sie stellen sich aber
die durchaus praktische Frage, wie komme
ich an einen bestimmten Punkt, wenn ich
den Graphen verändere.
Autorin: Christiane Licht
Auf direktem Weg nach
Hause
Wenn auf einer Modelleisenbahn mehrere
Züge gleichzeitig in den Lokschuppen
fahren wollen, kann es zu gegenseitigen
Blockaden kommen. Ein ausgeklügelter
Algorithmus kann hier helfen.
Autor: Laurin Murer
Energie aus der Wand
Solarzellen brauchen Platz. Warum also
nicht die Fassaden von Häusern dafür
nutzen? Mit der Farbstoffsolarzelle steht
dafür ein geeignetes System zur Verfügung.
Anforderungen an die Herstellung
werden untersucht.
Autoren: Vladislav Vasilenko, Tony
Schade, Noah Simon Strobel
Die vierte Dimension
Einen vierdimensionalen Würfel kann man
im wahren Wortsinn nicht mehr begreifen.
Aber man kann sich mathematische
Hilfsmittel schaffen, um ihn ein bisschen
besser zu verstehen.
Autor: Manuel Nutz
16
24
34
42
52
Inhalt
Junge Wissenschaft –
Jugend forscht in Natur
und Technik
Junge Wissenschaft veröffentlicht Originalbeiträge
junger Autoren bis zum Alter von
23 Jahren mit anspruchsvollen Themen aus
allen Bereichen der Naturwissenschaften
und Technik.
Gründungsherausgeber:
Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski †
Herausgeber:
Prof. Dr. Manfred Euler
Dr. Dr. Jens Simon
Dr.-Ing. Sabine Walter
Beirat:
Dr. J. Georg Bednorz
Nobelpreisträger
IBM Research Division
Forschungslaboratorium Zürich
Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.
Manfred Eigen
Nobelpreisträger,
Max-Planck-Institut für
Biophysikalische Chemie,
Göttingen
Prof. Dr. Gerhard Ertl
Nobelpreisträger
Fritz-Haber-Institut der
Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Prof. Dr. Ernst O. Göbel
Präsident der Physikalisch-
Technischen Bundesanstalt,
Braunschweig und Berlin
Dr. Uwe Groth
VDI Projektleitung
„Jugend entdeckt Technik“,
Hemmingen
Prof. Dr. Elke Hartmann
Universität Halle
VDI Bereichsvorstand
„Technik und Bildung“
Dr. Jörg F. Maas
Geschäftsführer der Stiftung
„Jugend forscht“ e. V.,
Hamburg
Prof. Dr. Bernd Ralle
Schriftführer der Zeitschrift MNU,
Fachbereich Chemie,
Universität Dortmund
Wolfgang Scheunemann
Geschäftsführer der dokeo GmbH,
Stuttgart
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Young Researcher

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Junge Junge Wissenschaft 89 89 // 2011
Magazin
Wettbewerb
Dominosteine und Luftballons lösen
eine physikalische Kettenreaktion aus
Beim Wettbewerb freestyle-physiscs der Universität Duisburg treffen sich seit einigen Jahren Anfang
Juli über 2000 Schüler auf dem Campus. Mit raffinierten Kettenreaktionen und Gegenwindfahrzeugen
treten sie gegeneinander an.
Immer wieder lässt Johannes einen
knapp zehn Zentimeter langen Wagen
eine kleine Rampe herunterfahren.
Nicht jedes Mal stößt das Fahrzeug auf
die großen Dominosteine, mal weicht
es nach rechts mal nach links aus. Johannes
markiert den besten Startpunkt.
Hautnah neben ihm steht Bernhard.
Er knotet eine Drachenschnur an einen
Klemmverschluss, der einen aufgeblasenen
Luftballon verschließt. Ein
kurzer Ruck an der Schnur öffnet den
Verschluss, und Luft entweicht aus dem
Ballon.
Eine Kettenreaktion als Gemeinschaftsaufgabe
Johannes und Bernhard sind Schüler
der Klasse 9b des Carl-Friedrich-von-
Weiszäcker-Gymnasiums aus Ratingen.
Zusammen mit weiteren 21 Schülern
und Schülerinnen umlagern sie einen
Tisch. Inmitten der Schülertraube steht
Beim Wettbewerb freestyle-physics geht es nicht um Hightech, sondern um Kreativität und physikalischen
Pfiff. (Quelle: Walter)
eine dreistöckige Konstruktion, circa
eineinhalb Meter hoch. Jede Etage
hat eine Fläche von etwa einem Quadtratmeter.
Die Schüler bereiten ihre
Kettenreaktion für den Wettbewerb
freestyle-physics vor. Überall sind Arme
und Hände. Um die obere Etage zu erreichen,
stehen Maike und Vanessa auf
einer Bierbank. Scheren, mehrere Rollen
Klebeband und Bindfaden sind die
wichtigsten Werkzeuge.
Insgesamt 14 Effekte haben sich die
Schüler für ihre Kettenreaktion im
Physikunterricht ausgedacht. Theresa
Schnitzler, ihre Lehrerin, hatte ihnen
die Aufgabe gestellt, Bewegungsenergie
und Lageenergie mit mechanischen
Methoden immer wieder ineinander
umzuwandeln. In kleinen Gruppen
entwickelten die Schüler die Abläufe:
Luft aus einem Luftballon bläst ein
Segelschiff vorwärts, raffinierte Hebelkonstruktionen
heben eine Klorollen-
rakete an, Wasser fließt über eine Rampe
und schließlich platzt ein Luftballon
mit Konfetti. „Das ist unser Knalleffekt
am Schluss“, erzählt Lisa stolz. Sie
hofft, dass möglichst viel klappt: „Den
Gesamtaufbau haben wir bisher nicht
getestet.“
Die Konkurrenz ist groß
Die Klasse 9b tritt gegen 77 Wettbewerber
an. Einige haben professionelle
Aufbauten in das Veranstaltungszelt
gefahren. Eine Gruppe aus Ahaus setzt
einen Laser und eine Hochspannungsstrecke
ein. In dem etwa 1,70 Meter
hohen, vierstöckigen „Physik-Hochhaus“
wird die unterste Ebene nur für
die Verschaltung und die elektrische
Versorgung genutzt. Andere Gruppen
haben ihre Kinderzimmer geplündert
und Loopingbahnen für Matchbox
Autos, Xylophone, Duplo-Steine und
Modelleisenbahnen eingebaut. Bei

freestyle-physics sind der Phantasie und
der Kreativität keine Grenzen gesetzt.
Der Initiator des Wettbewerbs, Physikprofessor
Axel Lorke von der Universität
Duisburg-Essen, freut sich darüber:
„Die Schüler müssen nicht immer alles
physikalisch durchdrungen haben“,
räumt Lorke ein. Doch manche Idee
überrasche selbst ihn.
Katrijn aus der 9 b formt aus Kreppband
ein Knäuel. Dies setzt sie als Korken
auf eine Plastikflasche: „Mist, das ist
nicht dicht!“ Katrijn ist nicht zufrieden.
Dann kommt ihr die Idee: „Saskia, wir
nehmen Styropor.“ Die beiden Mädchen
durchsuchen die Materialkisten
und umwickeln ein passendes Stück
mit Kreppband. Jetzt verschließt der
Korken die Flasche. Saskia und Katrijn
klatschen sich ab. Theresa Schnitzler
entdeckt ganz neue Seiten an ihrer Klasse:
„ Alle ziehen an einem Strang. Das
ist sonst nicht so. Das macht wohl die
Atmosphäre hier im Zelt. Jeder bereitet
konzentriert sein Experiment für die Juroren
vor.“ Diese starten ihre Runde um
12.30 Uhr. Gegen 11 Uhr funktioniert
schon vieles bei der 9b, aber die Übergänge
zwischen den Effekten machen
noch Probleme.
Den Wettbewerb gibt es seit
acht Jahren
Der Wettbewerb freestyle-physics findet
seit 2003 jedes Jahr statt. An drei Tagen
kommen insgesamt über 2000 Teilnehmer
aus ganz Nordrhein-Westfalen in
das Freestyle-Zelt. 2010 konnten sich
die Schüler im Vorfeld auf eine von fünf
Aufgaben vorbereiten: Neben den Teilnehmern
mit Kettenreaktionen kamen
am ersten Tag noch 125 Gruppen mit Ge-
genwindfahrzeugen. An den zwei anderen
Tagen stellten sich Schüler mit Briefwaagen,
ultraleichten Brücken und leistungsfähigen
Elektromotoren dem Wettbewerb
untereinander.
Die Anforderungen an die Gegenwindfahrzeuge
sind eindeutig: Welches
Gefährt legt eine Strecke von etwa zwei
Metern, auf denen zwei Ventilatoren
Gegenwind erzeugen, in der kürzesten
Zeit zurück? Manche Gruppen betreiben
ganz entspannt Feintuning: Sind
bei den vorgegebenen Windverhältnissen
besser drei oder sechs Rotorblätter
geeignet? Andere haben ein grundsätzliches
Problem: Ihr Fahrzeug rührt sich
nicht vom Fleck oder wird von den
Ventilatoren weggeblasen. Da hilft es
auch nicht, dass die Fahrzeuge liebevoll
gestaltet sind und in einer Kiste
mit der Aufschrift „Superspeed“ transportiert
werden. Gut im Rennen liegen
Fahrzeuge, die leicht sind und deren
bewegliche Teile durch Reibung wenig
gebremst werden. Wer die Strecke unter
fünf Sekunden schafft, gehört zu den
schnellsten.
Bei der Klasse 9b läuft der Count down.
Zeit eine Bratwust essen zu gehen hat
niemand. Die Lehrerin umkreist aufgeregt
ihre Schüler: “Kinder, was macht
ihr da?“ entfährt es ihr. Die Schüler
sind ruhiger, ganz in ihre Arbeit vertieft.
Über das Mikrophon wird angekündigt,
dass die Juroren jetzt starten.
Juroren lassen sich begeistern
Juroren zu finden, sei nicht schwer,
erzählt Andreas Reichert, der Hauptorganisator.
Professoren und wissenschaftliche
Mitarbeiter der Physik-
Fakultät nähmen sich gerne die Zeit, „Die
Die Klasse 9b des Carl-Friedrich-von-Weiszäcker-Gymnasiums aus Ratingen hat mit Begeisterung
am Wettbewerb freestyle-physics teilgenommen. (Quelle: Walter)
Magazin
Begeisterung der Kinder und Jugendlichen
steckt auch uns an.“ Die Kettenreaktionen
werden von vier Juroren
beurteilt. Kriterien sind die Anzahl der
Effekte, die physikalische Raffinesse
und die Originalität der Ideen. Viel zu
früh sind die Juroren bei der Klasse 9b.
Maike erklärt den geplanten Ablauf. Vanessa
ballt die Fäuste vor dem Gesicht,
andere haken sich unter. Bernhard startet
die Kettenreaktion. Fast nichts funktioniert:
Der Wagen trifft die Dominosteine
nicht, das Schiff kommt nicht ans
Ziel. Doch wenigstens der Luftballon
platzt zum Schluss.
Der Konfettiregen gefällt den Juroren.
Sie muntern die Klasse auf. Als die Juroren
weiter gehen, sind plötzlich alle
Schüler verschwunden. Ganz verlassen
steht der Aufbau, nur Wasser tropft von
der untersten Platte auf den Boden.
Etwa eine halbe Stunde später stehen
Maike und Vanessa wieder auf der Bierbank
und justieren die Hebel. Johannes
stellt den Wagen auf seinen Startpunkt
und Katrijn füllt die Wasserflasche neu.
„Morgen ist Schulfest. Da klappt es
sicher besser,“ erklärt Lisa. Die Klasse
9b aus Ratingen beweist eine hohe Frustrationstoleranz,
eine Eigenschaft von
der Physiker nicht genug haben können.
Physikalische Experimente klappen
niemals beim ersten Mal, weder in
der Schule noch im wissenschaftlichen
Labor.
Sabine Walter
freestyle physics
Der Wettbewerb freestyle physics
ist ein jährlich stattfindender
Schülerwettbewerb, bei dem Schülerinnen
und Schüler der Jahrgangsstufen
5 bis 13 drei Monate Zeit
haben, anspruchsvolle Aufgaben
mit physikalischem Hintergrund zu
bearbeiten. Die Ergebnisse werden
anschließend gemeinsam in der
Universität Duisburg-Essen präsentiert.
Es kommt auf Kreativität, Originalität,
physikalischen Pfiff, Funktionsfähigkeit
und Robustheit an. Die zu
bearbeitenden Aufgaben werden
ab Februar auf der Internetseite
www.freestyle-physics.de veröffentlicht.
Dort gibt es auch weitere
Informationen zu dem Wettbewerb.
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