Bij physical computing draait het om computersystemen die gebruik maken van sensoren (om iets waar te nemen) en actuatoren (om iets in gang te zetten). Een relatief simpel voorbeeld is de thermostaat die je in de meeste huizen vindt. De thermostaat meet de temperatuur met één of meerdere temperatuursensoren in huis. Als de temperatuur te laag is, zet het systeem de verwarming aan. De verwarming is een actuator.
Ook een sporthorloge hoort bij physical computing. Een veel complexer systeem is een zelfrijdende auto. Of een robotchirurg. En zo zijn er duizenden toepassingen. In de volgende paragrafen geven we nog enkele voorbeelden van physical computing. Bepaal samen met je docent welke voorbeelden je gaat bekijken.
In de rest van de module zul je natuurlijk ook allerlei toepassingen vinden van physical computing.
Opdracht: verken een toepassing van physical computing en bereid een presentatie voor
Je merkt al, het aantal toepassingen van physical computing is onzettend groot. Voor deze opdracht werk je in twee- of drietallen. Kies samen een toepassing binnen physical computing. Bedenk eerst binnen welk domein je gaat zoeken:
Zorg
Transport / vervoer / mobiliteit
Kunst
Veiligheid
Comfort in en om het huis
Sport
...
Kies samen één toepassing en verken deze toepassing. Zoek zelf naar informatie. Bereid vervolgens een presentatie voor waarin jullie een review geven van de toepassing. Ga in ieder geval in op de volgende vragen:
Wat kun je er mee?
Hoe werkt het?
Welke sensoren en actuatoren worden gebruikt?
Wat zijn beperkingen van het systeem? Wanneer werkt het niet of niet goed?
Wat kost het?
Robotchirurg
Bekijk de twee video’s in het volgende artikel over robotchirurgie.
Een stofzuigerrobot maakt je kamer schoon terwijl je zelf op school zit of aan het werk bent. Er zijn diverse stofzuigerrobots verkrijgbaar. In het filmpje hieronder zie je een korte review van de iRobot Roomba 980. Deze stofzuigerrobot is in staat te bepalen of er een object in de weg staat. Als de stofzuiger naar beneden dreigt te vallen, bijvoorbeeld van de trap, draait hij zich om. Hij laadt zichzelf op bij het basisstation.
Hieronder zie je de display en overige onderdelen van een uitgebreid weerstation.
Exoskelet
Studenten van de TU-Delft werken aan de ontwikkeling van een exoskelet, de March II. Een exoskelet maakt het mogelijk voor mensen met een dwarslaesie om te kunnen lopen.
Bekijk het filmpje, de website van project MARCH en lees eventueel het artikel.
Sensoren spelen een belangrijke rol bij Physical Computing. Sensoren kun je vergelijken met zintuigen. Levende organismen, of het nu eencelligen of mensen zijn, nemen hun omgeving waar met behulp van zintuigen. Computers kunnen daarvoor worden toegerust met sensoren. Er is een grote verscheidenheid aan sensoren maar ze vervullen in het algemeen dezelfde functie als de zintuigen van een mens of dier.
Sommige sensoren kunnen meer dan onze zintuigen, zoals infrarood- of röntgenstraling waarnemen. De meeste sensoren zijn echter beperkter dan onze zintuigen en soms zijn er verschillende soorten sensoren nodig om de werking van één van onze zintuigen te evenaren.
Omdat we zo vertrouwd zijn met onze zintuigen, nemen we vaak aan dat de sensoren van een computer op identieke wijze werken. Dit is om vele redenen niet waar. Bijvoorbeeld: de afhandeling van ruwe data van een geluidssensor kan leiden tot de detectie van geheel andere verschijnselen dan mensen met hun oren zouden kunnen horen. Bovendien worden onze waarnemingen sterk beïnvloed door de associaties die ons brein aan deze waarnemingen koppelt. Het bekende “gezichtsbedrog” is daar bijvoorbeeld een gevolg van.
Krekels, vissen en vleermuizen hebben iets gemeen. Ze kunnen waarnemen met haartjes, de gevoeligste sensoren in het dierenrijk. Allerlei wetenschappers zoeken uit hoe die werken, en proberen natuurlijk de zintuigen na te bouwen.
George Jeronimides is een van de vele wetenschappers die zich bewonderend uitlaat over
de “zijlijn”, een zintuig waarmee vissen minieme drukverschillen in het water kunnen waarnemen. Dat verklaart hoe een school vissen zich kan verplaatsen alsof het maar één dier is. Aan de universiteit van Tours bestudeert Jérome Casas het achtereind van krekels. Met de nog net zichtbare haartjes die daar zitten, kunnen de diertjes bewegingen in de lucht zo goed waarnemen, dat een aanvallende spin alleen kans maakt als hij óf tergend langzaam, óf bliksemsnel op zijn prooi afgaat.
Vissen detecteren watertrillingen met hun zijlijnorgaan
Gijs Krijnen laat aan de Universiteit Twente een technisch hoogstandje zien: een batterij haartjes die wel wat lijken op de uitsteeksels waarmee een krekel hongerige spinnen ontmaskert.
"De eerste werkende sensoren, daarvan heb ik geprobeerd te berekenen hoeveel beter of slechter ze zijn dan die van de krekel", vertelt hij. "En mijn eerste inschatting is dat ze een factor honderdduizend slechter zijn." Er valt dus nog wel wat te verbeteren. Want: “Uiteindelijk wil je natuurlijk net zo goed als die echte krekel zijn."
Vleermuizen hebben zintuigharen in hun oren, net als mensen trouwens. Maar anders dan wij vormen zij zich een beeld van hun omgeving met de geluiden die ze daarmee oppikken. Die geluiden maken de vleermuizen zelf. Je kunt ze met het menselijke oor niet horen. Het uitzenden van geluid en het met het terug opgevangen geluid de omgeving (in het donker) waarnemen heet echolocatie.
Rolf Müller vangt vleermuizen in een grot in Vietnam en bestudeert ze om precies vast te leggen hoe hun oren werken. In Antwerpen gebruikt Herbert Peremans die onderzoeksresultaten om een
elektronische vleermuis te maken. Een robot die echolocatie gebruikt om objecten te herkennen. Dat lukt al een beetje, maar het komt nog niet in de buurt van de precisie die vleermuizen hebben om een mugje achteloos uit de lucht te plukken.
Een opstelling om echolocatie van vleermuizen te imiteren
Bij de TU Delft wordt veel onderzoek gedaan naar robots. Hieronder vind je een link naar een website waar verschillende robots worden beschreven, bijvoorbeeld een robot die kaas maakt en een mechanische bartender.
De meeste sensoren zijn elektrisch of mechanisch uitgevoerd; softwarematige en 'virtuele' sensoren zijn ook mogelijk. Sensoren zijn als zintuigen voor machines. Een machine automatiseren zonder sensoren is ondenkbaar. De toepassing kan variëren van eenvoudige aanwezigheidscontrole tot positionering, afstandsmeting, kleurcontrole enzovoort.
Door het gebruik van sensoren kan ook de afwerking van de producten en de snelheid van productie zo optimaal mogelijk gemaakt worden. Eén van de meest voorkomende toepassingen is
aanwezigheidsdetectie van objecten. Dit kan verwezenlijkt worden met onder andere optische
sensoren en lasersensoren. Als een stilstaande robot (armrobot, spuitrobot.) al zo veel sensoren nodig heeft, hebben robots die zich voortbewegen (waaronder androïde robots) al helemaal veel sensoren nodig. Met een sensor neemt een robot de omgeving waar en kan er informatie verzameld worden waarmee processen worden.
Een sensor meet een natuurkundige grootheid. Sensoren zetten een elektrisch of niet-elektrisch signaal om in een elektrisch signaal voor verdere bewerking. Je noemt het omzetten van signalen: transductie. Een voorbeeld daarvan is het omzetten van het geluidssignaal door een sensor in een elektrisch signaal, zoals bij een microfoon gebeurt.
Sensoren kunnen voor verschillende signalen gevoelig zijn: denk aan mechanische verschijnselen zoals druk en trek, straling zoals licht en warmte, magnetische verschijnselen en chemische verschijnselen.
Sensoren worden onder andere gebruikt om de volgende zaken in de omgeving waar te nemen:
Temperatuur (thermometer)
Druk (bloeddrukmeter)
Debiet (gasmeter in de meterkast)
pH (pH meter van biologie)
Niveau (radar)
Nabijheid (automatische deuren van de supermarkt)
Gewicht of kracht (weegschaal)
Geleidbaarheid
Magnetisch veld
Elektrisch verbruik
Richting
Helling
Chemische samenstelling
Hoogte
Afstand met een afstandssensor
Verplaatsing
Beweging - met bewegingssensoren
Beeld met een beeldsensor
Lichtmeting (intensiteit)
Lichtmeting (golflengte)
Bron: NLT-module Leven met Robots
Sensoren in een mobiele telefoon
Een mobiele telefoon heeft allerlei sensoren. Bekijk de onderstaande bron om te zien welke sensoren er allemaal in een telefoon kunnen zitten.
Physical Computing gaat altijd over systemen die via sensoren en actuatoren met de wereld eromheen interacteren.
Neem bijvoorbeeld een systeem dat automatisch een plant water geeft. Het systeem meet hoe vochtig de aarde is. Als de aarde te droog wordt, zal het systeem met behulp van een pompje water toevoegen.
De omgeving is de plant en de aarde waar de plant in staat.
Het systeem bestaat uit een sensor voor het meten van de vochtigheid van de aarde, en misschien een lichtsensor om te meten hoeveel licht de plant ontvangt.
De waterpomp om de plant water te kunnen geven is een actuator.
De regelaar zelf bestaat onder meer uit een kleine computer en de bijbehorende software.
Die kleine computer is vaak een microcontroller. Zo'n microcontroller bevat een processor, geheugen en aansluitingen om sensoren en actuatoren op te kunnen aansluiten. Een microcontroller is meestal veel kleiner en goedkoper dan een PC of laptop. Ook gebruikt zo'n microcontroller minder energie. Meestal zit er geen beeldscherm en toetsenbord of muis bij. In deze module gebruiken we bijvoorbeeld een Micro:bit, Arduino of Lego Mindstorms als microcontroller.
Met de software kun je bepalen wat het gedrag van het systeem moet zijn. Bijvoorbeeld: hoe vochtig mag de aarde nog zijn voordat de waterpomp wordt aangezet?
Daarnaast is er vaak ook een gebruikersinterface waarmee iemand het systeem kan aansturen en informatie vanuit het systeem krijgt. Deze interface kan bestaan uit een schermpje waarop de status van het systeem is te zien: is het systeem actief? Hoe vochtig is de aarde? Hoeveel water is er tot nu toe aan de plant gegeven? En wellicht kun je met knopjes of een touchscreen het systeem bedienen (aan- en uitzetten bijvoorbeeld).
Toepassingen die je zelf kunt maken
Inleiding
In deze module ga je zelf een toepassing voor physical computing bedenken, ontwerpen en bouwen. Dat mag iets zijn wat je ook zelf echt kunt gebruiken. Hieronder vind je enkele voorbeelden van physical computing die je zelf kunt maken, met dank aan onder meer Rolf Hut.
Als je wilt kun je ook meedoen met de STEAM Cup Challenge, waarbij leerlingen een product ontwerpen en bouwen op basis van de Micro:bit en daarbij allerlei prijzen kunnen winnen.
Werk in groepen van drie en bedenk een fantasie-apparaat.
Kies eerst gezamenlijk een domein, bijvoorbeeld zorg, beveiliging/veiligheid, vervoer/transport, duurzaamheid, domotica, sport, of een ander domein. (2 minuten)
Bedenk vervolgens minstens vijf mogelijke apparaten. Het apparaat hoeft niet realiseerbaar te zijn, gebruik je fantasie. (5 minuten)
Kies gezamenlijk één idee uit (1 minuut)
Teken/beschrijf wat voor soort sensoren en actuatoren het apparaat zou moeten hebben. (4 minuten)
Teken/beschrijf wat de werking is van het apparaat. (6 minuten)
Over deze module
De komende weken ga je leren over physical computing, een erg interessant onderwerp om verschillende redenen:
De toepassingen zijn heel divers. Je ziet physical computing in de zorg (denk aan zorgrobots), bij transport (denk aan zelfrijdende auto’s), sport (denk aan sporthorloges), het huishouden (denk aan stofzuigerrobots), etc, etc.
Ook in het dagelijks leven kom je veel toepassingen van physical computing tegen. Denk maar aan je telefoon die boordevol sensoren zit. Maar ook andere alledaagse apparaten zoals wasmachines, tv’s en de centrale verwarming zijn voorbeelden van physical computing.
Informatica speelt een belangrijke rol in deze systemen. Al deze apparaten en toepassingen bevatten immers (kleine) computers die het mogelijk maken dat ze adequaat en snel reageren op wat er gebeurt in de omgeving.
Je kunt zelf toepassingen bedenken en maken. De materialen daarvoor zijn vrij goedkoop, en de mogelijkheden zijn eindeloos. Je kunt daarbij goed samenwerken in een team van leerlingen met verschillende interesses en expertises.
We hopen dat je na het volgen van deze module antwoorden hebt op de volgende vragen.
Welke mogelijkheden biedt physical computing in de zorg, veiligheid, tranport, etc? Wat kan wel, wat kan (nog) niet?
Waar zie je physical computing terug in de wereld om je heen? Wat zijn de mogelijkheden daarvan, en wat zijn de beperkingen?
Wat voor sensoren worden daarbij gebruikt? Hoe werken die sensoren? Wat kun je precies met die sensoren? En wat zijn de beperkingen?
Hoe kun je zelf op een effectieve manier een prototype ontwerpen en ontwikkelen?
De opbouw van deze module is grofweg als volgt:
Je begint met het leren kennen van toepassingen van physical computing in de wereld om ons heen. Zo krijg je een beter beeld van wat physical computing inhoudt en wat er mogelijk is.
Je leert ook al gauw werken met één van de hardware-platforms (Micro:bit, Arduino of Lego Mindstorms).
Daarna leer je over enkele sensoren en hoe je die kunt gebruiken. We hebben 4 cycli beschreven, elke cyclus is als volgt opgebouwd:
Je krijgt een voorbeeld van waar de sensor kan worden gebruikt
Daarna leer je de sensor in het algemeen: hoe werkt het, wat kan je er mee, wat kan je er niet mee
Vervolgens leer je hoe je zo’n sensor zelf kunt gebruiken bij het maken van een eenvoudige toepassing. Je leert daarbij ook hoe je eerst een ontwerp kunt maken voor de werking van zo’n toepassing.
Hieronder zie je een overzicht van de vier cycli.
Cyclus
Toepassing
Sensor
Opdracht
1
Domotica: physical computing in en om het huis
Aanraaksensor
Hotelschakeling
2
Smart city: gebruik van slimme systemen om de leefbaarheid in de stad te verbeteren
Bewegingssensor
Automatische straatverlichting
3
Zelfrijdende auto’s
Afstandssensor
Parkeersensor
4
Wearables: physical computing die je bij je draagt, zoals een activity tracker.
Versnellingssensor en gyroscoop
Stappenteller
Op deze manier leer je dus geleidelijk over toepassingen van physical computing, over de sensoren en over hoe je zelf een systeem kunt bouwen.
Tot slot van deze module ga je zelf in een team van twee, drie of vier leerlingen een prototype ontwerpen en bouwen. Een prototype is een voorbeeld van hoe een systeem er uit zou kunnen zien en hoe het zou kunnen werken. Wat voor prototype je gaat maken, bepaal je zelf, in overleg met je docent.
We hopen dat je veel leert van deze module en vooral ook dat je er veel plezier uit haalt.
Het arrangement Inleiding Physical Computing is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
We laten je zien dat physical computing overal terugkomt. In de stofzuiger, je mobiele telefoon, je sporthorloge, maar ook in de operatiekamer in het ziekenhuis.
Daarnaast leer je over de opbouw van de module physical computing.
We laten je zien dat physical computing overal terugkomt. In de stofzuiger, je mobiele telefoon, je sporthorloge, maar ook in de operatiekamer in het ziekenhuis.
Daarnaast leer je over de opbouw van de module physical computing.
