ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
PRINCIPLES OF BIONICS ENGINEERING
PAOLO DARIO
Academic year2020/21
CourseBIONICS ENGINEERING
Code708II
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
PRINCIPLES OF BIONICS ENGINEERINGING-IND/34LEZIONI60
PAOLO DARIO unimap
DONATO ROMANO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il corso “Principles of Bionics Engineering” mira a introdurre gli studenti al vasto e interdisciplinare mondo della bionica e delle aree scientifiche ad essa collegate, quali la biorobotica e la bioingegneria. La bionica mira ad acquisire conoscenze attraverso l’analisi e la modellazione di organismi ed ecosistemi naturali e ha lo scopo di applicare tale conoscenze allo sviluppo di dispositivi innovativi e bioispirati. La bionica concerne anche lo sviluppo di organi artificiali e in generale di dispositivi intimamente connessi con i tessuti del corpo umano. L’applicazione dei principi della bionica è ormai diffuso in molti domini dell’ingegneria. In questo corso vengono presentati numerosi casi di studio, che consentiranno allo studente di comprendere l’intero loop dalle scoperte scientifiche al processo di innovazione ingegneristica. In particolare, il corso si focalizza sui principi chiave della locomozione biologica, sulla robotica di sciame, sugli organi artificiali, sulla morphological computation, su aspetti relativi all’energia, su principi di design bionico strutturale e sulle principali tecniche di fabbricazione.
Knowledge

The “Principles of Bionics Engineering” course aims to introduce attendants to the vast and interdisciplinary field of bionics and related scientific areas, such as biorobotics and bioengineering. Bionics aims at gathering specific knowledge through the analysis/modeling of living organisms/ecosystems and applies it to the development of newly inspired advanced devices. Bionics also focuses on artificial systems deeply connected to body tissues. The application of bionics principles is nowadays widespread in many engineering sub-fields. During this course, several case studies are presented that will allow to properly understand the whole loop from scientific insights to engineering innovation. In particular, the course focuses on the key principles of biological locomotion, swarm robotics, artificial organs, morphological computation, energy issues, structural design and fabrication technologies.
Modalità di verifica delle conoscenze

Gli studenti saranno valutati mediante una prova orale, per verificare il loro grado di apprendimento delle conoscenze e dei messaggi chiave del corso.
Assessment criteria of knowledge

The students will be subjected to oral evaluation of the knowledge acquired in the course, in order to understand if they gathered the key course messages.
Capacità

Alla fine del corso lo studente:

  • acquisirà delle conoscenze chiave riguardanti design bionico e principi di progettazione bionica;
  • sarà in grado di orientarsi all’interno della letteratura scientifica riguardante gli organi artificiali, la robotica di sciame, le architetture bioniche, ecc.
  • sarà in grado di formulare ipotesi inovative e di immaginare nuove soluzioni riguardanti il design bionico e paradigmi di robotica bioispirata.
Skills

At the end of the course the student:

  • Will possess the main knowledge about bionic design and principles;
  • Will be able to orient him/herself in the scientific literature dealing with artificial organs, swarm robotics, bionic architectures, etc.;
  • Will be able to formulate innovative hypotheses and to devise new solutions on bionic design and bioinspired robotic paradigms.
Modalità di verifica delle capacità

Gli strumenti utilizzati consisteranno in:

  • Presentazione dei principali strumenti utilizzati in letteratura per fabbricazione e caratterizzazione di strutture a diverse scale dimensionali;
  • Banche dati “Scholar”, “Scopus” e “ISI Web of Knowledge”, che consentono allo studente di approfondire la letteratura scientifica connessa agli argomenti del corso
Assessment criteria of skills

The instruments used will consist of:

  • Presentation of the main instruments used in the literature for fabricating and characterizing structures at different scales;
  • “Scholar”, “Scopus” and “ISI Web of Knowledge” databases, allowing students to go in deep in the scientific literature related to the course topics.
Comportamenti

Ci si aspetta che lo studente acquisisca:

  • L’attitudine a formulare nuove ipotesi e a generare idee creative nei domini del design bionico e della biorobotica;
  • Competenze e attitudine al pensiero creativo nei campi della robotica, biorobotica e bionica.
Behaviors

The attitudes that the student is thought to acquire are:

  • Attitude to formulate innovative hypotheses and creative ideas in the bionic design and biorobotics domains;
  • Competences and attitude to creative thinking concerning the fields of robotics, biorobotics and bionics.
Modalità di verifica dei comportamenti

Gli strumenti usati per valutare se gli studenti avranno acquisito le conoscenze e attitudini attese, saranno principalmente domande poste agli studenti nel corso delle lezioni frontali, per valutare l’acquisizione e consolidamento di certi concetti chiave.
Assessment criteria of behaviors

The instruments used to assess if the students gathered the expected attitudes will be mainly questions posed to the students during the frontal classes, to evaluate the acquisition and consolidation of certain concepts.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per seguire in modo proficuo questo corso, non sono richieste conoscenze pregresse specialistiche. Tuttavia, competenze consolidate di fisica e matematica sono necessarie. Inoltre, anche se non strettamente richieste, competenze di meccanica ed elettronica sono desiderabili.
Prerequisites

To profitably attend this course, no specialistic knowledge is required. However, consolidated competences of physics and mathematics are needed. In addition, even if not strictly needed, competences concern mecahnics and electronics are desirable.
Indicazioni metodologiche

Le indicazioni metodologiche sono:

  • Le lezioni verranno svolte alternando trattazioni alla lavagna e slide proiettate, con l’ausilio di animazioni e video;
  • Data la situazioni attuale dovuta a Covid-19, le lezioni saranno in parte tenute in videoconferenza
  • Le lezioni saranno disponibili in formato elettronico sul sito web http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessibile dagli studenti;
  • L’interazione docente/studente sarà basata su scambi e-mail o su riunioni su appuntamento, per discutere degli argomenti toccati durante il corso;
  • La lingua utilizzata per tutte le lezioni è l’Inglese.
Teaching methods

The methodological indications are:

  • The classes will be carried out in an alternated way at the blackboard and by means of projected slides, also with the help of animations and videos;
  • Given the current Covid-19 related issues, the lessons will be partly held by videoconference
  • Lessons will be available in electronic format (pdf files) on the website http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessible by students;
  • The teacher/student interaction will be based on e-mail exchanges or by setting meetings on demand, for discussing topics touched during the course;
  • The language used during all classes is English.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Gli argomenti del corso sono i seguenti:

  • Evoluzione storica della bionica, in relazione alla robotica e alla bioingegneria;
  • Robotica di sciame;
  • Principi di locomozione biologica e zoo robotico;
  • Sensori bionici;
  • Gestione bionica dell’energia: confronto tra animali e robot;
  • Tecnologie di fabbricazione a diverse scale dimensionali;
  • Design strutturale bioispirato e materiali avanzati;
  • Principi di morphological computation;
  • Esempi di soluzioni bioniche.
Syllabus

The course topics are the following:

  • Historical evolution of bionics, related to robotics and bioengineering;
  • Swarm robotics;
  • Biological locomotion principles and robotic zoo;
  • Bionic sensors;
  • Bionic energy management: comparison between animals and robots;
  • Fabrication technologies at different scales;
  • Bioinspired structural design and advanced materials;
  • Principles of morphological computation;
  • Bionics by examples.
Bibliografia e materiale didattico
  • Nachtigall, W., & Wisser, A. (2014). Bionics by examples.
  • Beni, G. (2004, July). From swarm intelligence to swarm robotics. In International Workshop on Swarm Robotics (pp. 1-9). Springer, Berlin, Heidelberg.
  • Copeland, J. G., Smith, R. G., Arabia, F. A., Nolan, P. E., Sethi, G. K., Tsau, P. H., ... & Slepian, M. J. (2004). Cardiac replacement with a total artificial heart as a bridge to transplantation. New England Journal of Medicine, 351(9), 859-867.
  • Zhang, C., Mcadams, D. A., & Grunlan, J. C. (2016). Nano/Micro‐Manufacturing of Bioinspired Materials: a Review of Methods to Mimic Natural Structures. Advanced Materials, 28(30), 6292-6321.
  • Alexander, R. M. (2003). Principles of animal locomotion. Princeton University Press.
  • Menon, C., Murphy, M., & Sitti, M. (2004, August). Gecko inspired surface climbing robots. In Robotics and Biomimetics, 2004. ROBIO 2004. IEEE International Conference on (pp. 431-436).
  • Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., & Ritchie, R. O. (2015). Bioinspired structural materials. Nature materials, 14(1), 23-36.

Le lezioni in formato digitale sono disponibili sul sito http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessibile dagli studenti.
Bibliography
  • Nachtigall, W., & Wisser, A. (2014). Bionics by examples.
  • Beni, G. (2004, July). From swarm intelligence to swarm robotics. In International Workshop on Swarm Robotics (pp. 1-9). Springer, Berlin, Heidelberg.
  • Copeland, J. G., Smith, R. G., Arabia, F. A., Nolan, P. E., Sethi, G. K., Tsau, P. H., ... & Slepian, M. J. (2004). Cardiac replacement with a total artificial heart as a bridge to transplantation. New England Journal of Medicine, 351(9), 859-867.
  • Zhang, C., Mcadams, D. A., & Grunlan, J. C. (2016). Nano/Micro‐Manufacturing of Bioinspired Materials: a Review of Methods to Mimic Natural Structures. Advanced Materials, 28(30), 6292-6321.
  • Alexander, R. M. (2003). Principles of animal locomotion. Princeton University Press.
  • Menon, C., Murphy, M., & Sitti, M. (2004, August). Gecko inspired surface climbing robots. In Robotics and Biomimetics, 2004. ROBIO 2004. IEEE International Conference on (pp. 431-436).
  • Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., & Ritchie, R. O. (2015). Bioinspired structural materials. Nature materials, 14(1), 23-36.

Lessons in a digital format will be available on the website http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessible by the students.
Indicazioni per non frequentanti

Non ci sono variazioni per studenti non frequentanti.
Non-attending students info

There are no variations for students that do not attend the course.
Modalità d'esame

L’esame è costituito da una prova orale.

La prova orale è superata se il candidato è in grado di rispondere con padronanza e metodo alla maggior parte delle domande poste dai docenti riguardanti gli argomenti del corso.
Assessment methods

The exam will be based on an oral examination.

The oral examination is passed if the student replies in a correct way to the majority of the questions posed by the teachers concerning the course topics.
Altri riferimenti web

http://www.bionicsengineering.it/courses_and_staff
Additional web pages

http://www.bionicsengineering.it/courses_and_staff
Note

Nessuna nota aggiuntiva
Notes

No additional notes
Updated: 12/03/2021 16:01