Какие существуют строительные блоки: виды, характеристики – размеры и свойства, фото

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Больше подобной программы

Студенты используют мармеладки и зубочистки, чтобы делать модели атома лития.Используя эти модели, они исследуют состав атомов, включая их относительный размер.

Этот урок знакомит с концепцией электричества, предлагая студентам представить, какой была бы их жизнь без электричества. Студенты узнают, что электроны могут перемещаться между атомами, оставляя атомы в заряженном состоянии.

Студенты узнают об основах молекул и о том, как они взаимодействуют друг с другом. Они узнают об идее полярных и неполярных молекул и о том, как они действуют с другими жидкостями и поверхностями. Студенты получают концептуальное представление о молекулах поверхностно-активных веществ и о том, как они работают на молекулярном уровне….

Студенты приходят к пониманию статического электричества, узнавая о природе электрического заряда и различных методах зарядки объектов. В практической деятельности учащиеся индуцируют электрический заряд на различных объектах и ​​экспериментируют с электрическим отталкиванием и притяжением.

Введение / Мотивация

Осмотрите класс. Как вы думаете, что составляет все предметы в классе? (Возможные ответы: атомы, материя, твердые вещества и т. Д. Некоторые студенты могут ответить более конкретно, например: столы, стены, воздух, люди и т. Д.). Все живое и неживое вокруг нас состоит из вещества, называемого материей .Фактически, любой предмет, имеющий массу и занимающий место, можно считать материей.

Знаете ли вы, как называются основные строительные блоки материи? Ну, основные строительные блоки, из которых состоит материя, называются атомами . Иногда два или более атома связываются или слипаются, образуя молекулу . Молекула — это самая маленькая часть вещества, которая все еще обладает всеми свойствами этого вещества. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.Иногда молекула состоит из двух или более одинаковых атомов, например, молекула газообразного гелия. Материя и молекулы, из которых состоит окружающий нас мир, в основном образованы множеством различных атомов, связанных вместе, каждый из которых имеет свои собственные свойства или атрибуты.

Атомы маленькие, но при высвобождении их энергии они сильно упадут. Начнем с основных частиц, составляющих атом, и связанных с ними зарядов и структуры. Атомы состоят из трех частиц: отрицательно заряженных электронов , положительно заряженных протонов и нейтронов , которые имеют нейтральный заряд.Легко запомнить типы зарядов на каждой из этих частиц, если использовать простую ассоциацию. Например, протоны положительны, и оба этих слова начинаются с p. Также нейтроны нейтральны, они начинаются с n. Тогда нам нужно запомнить только одну частицу: электроны, и они имеют отрицательный заряд. Где все эти частицы расположены в атоме? Электроны существуют на орбитах или оболочках, которые вращаются вокруг ядра атома, содержащего протоны и нейтроны. На самом деле эти оболочки выглядят как нечеткие облака, в которых движутся электроны.

используют свои знания о структуре атомов для всего, от разработки новых материалов (антипригарных покрытий для сковородок, более безопасных футбольных шлемов, углеродного волокна для более быстрых автомобилей, более легких протезов и велосипедов и т. Д.) До использования энергии ядерной энергии. реакции на электричество. Они также создают машины, такие как лазеры, для искусственного создания элементов. Лазеры используются в медицине и стоматологии, а также в различных отраслях промышленности. Многие технологии из старого сериала «Звездный путь» представляют собой реальные возможности для будущего, поскольку ученые и инженеры узнают больше о структуре материи.Во время этого урока мы узнаем больше о материи и ее основном строительном блоке — атоме. Давайте также подумаем о том, как мы можем использовать наши знания о материи для понимания новых инженерных технологий.

Предпосылки и концепции урока для учителей

История

Древние греки запустили процесс катания атомного шара. Демокрит был первым, кто предположил, что материя состоит из маленьких кусочков.Левкипп был первым, кто использовал термин атом (atomon), что в переводе с греческого означало «неделимый». Теперь мы знаем, что атом делится и состоит из еще более мелких частей — загадочных субатомных частиц. Поскольку у греков не было возможности проверить и подтвердить свои теории, нам пришлось ждать почти 2000 лет, чтобы подтвердить, что атомы действительно существуют, хотя и не совсем так, как предполагали греки.

В 16 веке Роберт Бойль высказал идею, что существует элементов , которые нельзя разбить дальше, но только в 18 веке Джон Дальтон решил, что элементы могут состоять из атомов.

Атом и структура атома

Основные факты, которые нужно знать об атоме, заключаются в том, что он состоит из трех основных субатомных частиц: 1) электронов (отрицательный заряд), которые вращаются в оболочках вокруг ядра , которое состоит из 2) протонов ( положительный заряд) и 3) нейтронов (нейтральный заряд). Как правило, количество протонов и электронов уравновешивается, чтобы атом имел электрически нейтральный заряд. Электроны, наиболее удаленные от ядра атома (валентные электроны), легче всего разделяются с другими атомами или передаются им.Атомы, у которых отсутствует электрон или совместно используют дополнительный электрон, называются ионами и легко объединяются с другими ионами, образуя молекул .

Число протонов в атоме называется атомным номером . Это число определяет элемент атома. Внутри элемента количество нейтронов может варьироваться, создавая разные изотопы или нуклиды . По большей части это не влияет на электрическое и химическое поведение атома.(Есть некоторые исключения, связанные с массой изотопа, поскольку более тяжелые изотопы, как правило, реагируют медленнее, чем более легкие.) Есть некоторые вещи, которые влияют на количество протонов и нейтронов в ядре атома, включая ядерное деление, ядерный синтез. и радиоактивный распад. Однако обычно количество электронов — это частица, которую легче всего изменить из-за ее более низкой энергии связи.

Традиционно атом представляли как некую миниатюрную солнечную систему. Теперь ученые понимают, что если бы мы могли видеть атом, он был бы больше похож на маленькое нечеткое облачко.Фактически, ученые могут только предсказать, где электрон может быть в своей оболочке, используя теорию вероятности : точное положение и импульс электрона нельзя определить одновременно.

Рис. 1. Атомный масштаб. Copyright

Copyright © 2000 Particle Data Group of Lawrence Berkeley National Laboratory http://particleadventure.org/

Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу; однако электроны более чем в 1000 раз легче. Насколько малы мы говорим? Что ж, как показано на рисунке 1, мы говорим очень и очень крошечные.

• атом = 1 x 10 ^-10 метров
• ядро ​​= 1 x 10 ^-15 до 1 x 10 ^-14 метров
• нейтрон или протон = 1 x 10 ^-15 метров
• электрон — точно не известно, но предположительно порядка 1 x 10 ^-18 метров

Атом можно разбить на несколько субатомных частиц меньшего размера. Три основных — это протонов, и нейтронов, , которые находятся в ядре или ядре атома, и электронов, , которые существуют вне ядра.Обратитесь к упражнению Gumdrop Atoms, чтобы проиллюстрировать анатомию атома, чтобы дать учащимся лучшее понимание того, как взаимодействуют эти субатомные частицы. Физики недавно разделили атомы на еще более мелкие субатомные частицы, такие как фермионы (кварки, лептоны, нейтрино, электроны) и бозоны (глюоны, фотоны, гравитроны). Трудно (если не невозможно) определить физические свойства чего-либо на основе количества кварков и лептонов, которые оно содержит. То, что мы видим в нашем мире (вода, дерево, металл, кожа, зубы), лучше понять и организовать с помощью количества протонов, нейтронов и электронов, содержащихся в их атомах (и молекулах).Подобно тому, как мы смотрим на формы различных деталей LEGO ™, а не на пластик, из которого они сделаны, в этом уроке мы просто рассмотрим протоны, нейтроны и электроны как «LEGO ™» материи.

Интересный факт: Если мы изобразим атом в масштабе и сделаем протоны и нейтроны диаметром в сантиметр, то электроны будут меньше диаметра волоса, а весь диаметр атома будет больше, чем длина тридцати футбольных полей. ! Фактически 99.9% объема атома — пустое место! (Источник: http://particle.adventure.org/particleadventure/)

Сопутствующие мероприятия

Закрытие урока

Итак, что это за штука вокруг нас? (Ответ: Материя) Материя — это все, что имеет массу и занимает пространство. Основные строительные блоки, из которых состоит материя, называются атомами. Какие частицы содержатся в атомах? (Ответ: электроны, протоны и нейтроны) Где они находятся? (Ответ: протоны и нейтроны находятся в ядре, а электроны находятся в оболочках вокруг ядра.) Кто помнит, что такое молекула? (Ответ: молекула — это наименьшая часть вещества, которая все еще обладает всеми свойствами этого вещества; когда два или более атома связываются или слипаются, они образуют молекулу.)

Атому предстоит открыть еще много загадок. За последние 100 лет мы узнали много нового о том, как ведет себя атом, но нам предстоит еще многое узнать. Когда ваши родители росли, у них не было некоторых технологий, которые есть у нас сегодня. Прогресс в технологиях частиц, таких как использование лазеров, произошел благодаря тому, что инженеры использовали атомные открытия ученых для создания устройств, которые делают нашу жизнь лучше и продвигают человеческое общество.Лазеры используются в промышленности, медицине, военном деле и даже во многих потребительских товарах, таких как компьютеры и DVD-плееры.

Словарь / Определения

атом: основная единица материи; наименьшая единица элемента, имеющая все характеристики этого элемента; состоит из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженного центра, называемого ядром.

атомная теория: теория, согласно которой вся материя состоит из элементарных частиц, называемых атомами; концепция атома как состоящего из субатомных частиц.

электрон: частица, вращающаяся вокруг ядра атома с отрицательным зарядом.

молекула: наименьшая единица вещества, которая сохраняет химические и физические свойства вещества; два или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями.

нейтрон: частица в ядре атома без заряда.

Ядро: плотное центральное ядро ​​атома (состоящее из протонов и нейтронов).

протон: частица в ядре атома с положительным зарядом.

Оценка

Оценка перед уроком

Вопрос для обсуждения: Запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы студентов.

• Попросите учащихся осмотреть предметы в классе, а затем спросите их, что, по их мнению, является «материалом», из которого состоят предметы в классе. Включите технологические элементы, такие как компьютеры, телефоны и домофоны.(Возможные ответы: атомы, материя, твердые вещества и т. Д.)

Оценка после введения

Голосование : Задайте вопрос «правда / ложь» и попросите учащихся проголосовать, подняв палец вверх за истину и вниз за ложь. Подсчитайте голоса и запишите итоги на доске. Дайте правильный ответ.

• Верно или неверно: атом — это наименьший строительный блок материи (Ответ: Верно)
• Верно или неверно: молекулы состоят из двух или более атомов. (Ответ: Верно; молекула — это также самая маленькая часть вещества, которая все еще обладает всеми свойствами этого вещества.)
• Верно или неверно: электроны находятся в ядре атома. (Ответ: Неверно; электроны находятся в оболочках за пределами ядра.)
• Верно или неверно: инженеры используют свои знания об атомах и молекулах для разработки новых технологий. (Ответ: Верно)
• Верно или неверно: Лазеры используются только в научных лабораториях. (Ответ: Неверно; лазеры используются во многих сферах, включая промышленность, стоматологию и медицину, военные и потребительские товары, такие как компьютеры и DVD-плееры.)

Итоги урока Оценка

Карточки : Каждый ученик в команде создает карточку с вопросом на одной стороне и ответом на другой. Если команда не может прийти к единому мнению, ей следует проконсультироваться с учителем. Передайте карточки следующей команде. Каждый член команды читает карточку, и каждый пытается ответить на нее. Если они правы, они могут передать карту следующей команде. Если они считают, что у них есть другой правильный ответ, они должны написать свой ответ на обратной стороне карточки в качестве альтернативы.После того, как все команды заполнили все карточки, проясните все вопросы. Ниже приведены примеры вопросов:

• Заряд протона положительный, отрицательный или нейтральный? (Ответ: положительный)
• Какие атомные частицы существуют в ядре? (Ответ: Протоны и нейтроны)

Мероприятия по продлению урока

Будьте SME!

Люди, разрабатывающие учебные планы и программы обучения, часто полагаются на специалиста по предмету или SME (произносится «смэ») — часто инженеров или других профессионалов — чтобы дать им самую свежую информацию о материале.Для этого задания каждый студент может стать специалистом в области малого и среднего бизнеса в своей предметной области и выступить с стендовой презентацией на научной ярмарке в классе «Загадочные частицы». Студенты могли индивидуально выбрать субатомную частицу и стать специалистом по этому предмету. Или несколько студентов могут работать вместе, чтобы объяснить структуру атома, например, демонстрируя, как электроны движутся в оболочках. Следует поощрять учащихся разыгрывать свойства частиц.

Студенты могут индивидуально исследовать атомы (через Интернет или другие источники).

Студенты могут пройти интерактивную викторину FunBrain Periodic Table по адресу: https://www.funbrain.com/games/periodic-table-game и исследовать каждый элемент через Интернет или другие источники.

Рекомендации

Andrew Rader Studios, Rader’s Chem4Kids.com, Atom Basics: Обзор, «Атомы вокруг нас», http://www.chem4kids.com/, дата обращения 31 августа 2006 г.

Бэтчелор, Дэвид Аллен. Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, «Наука Звездного пути», 1993.

Браун, Джуди. Музей науки Майами, Семья Атома, «Портретный салон Призрака», http://miamisci.org/af/sIn/phantom/index.html.

Группа данных о частицах Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, «Приключение частиц: основы материи и силы», 2002 г.

Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона — Управление естественнонаучного образования, естественнонаучного образования, игр и головоломок, «Это элементарно: Периодическая таблица элементов», http: // education.jlab.org/inexpages/elementgames.html, по состоянию на 31 августа 2006 г.

Макинтайр, Стейси. Министерство энергетики США, Управление энергетической информации, Energy Kid’s Page, Energy Facts, «Источники энергии», http://www.eia.doe.gov/kids/ По состоянию на 31 августа 2006 г.

Университет Колорадо в Боулдере, Центр комплексных исследований плазмы, Physics 2000, декабрь 2004 г., http://www.colorado.edu/physics/ По состоянию на 31 августа 2006 г.

Авторские права

Авторы

Программа поддержки

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано за счет гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), U.S. Министерство образования и Национальный научный фонд ГК-12, грант No. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 12 января 2021 г.

аминокислот | Строительные блоки белка

Мы склонны думать, что белок — это простой макроэлемент, который необходим вашему организму.Однако, если вы когда-либо посещали уроки биологии, вы знаете, что белок — это не одно вещество. Напротив, у белка есть много разных частей; аминокислоты — важная часть, известная как строительные блоки белка. Давайте глубже погрузимся в эти органические соединения и их важную функцию в нашей повседневной жизни

Что такое аминокислоты?

Аминокислоты — это органические соединения, которые образуют белки. Обычно они известны как строительные блоки белка.Помимо построения белков, они также способствуют синтезу гормонов и нейромедиаторов. ¹

Состоит из одной или нескольких линейных цепочек аминокислот (называемых полипептидами), всего в белках содержится 20 типов аминокислот. ² Вы можете думать об этом как о разных ароматизаторах, которые соединяются вместе, как бусинки на нитке, чтобы образовать длинные цепи, которые мы называем полипептидами, и это строительные блоки белков. Самое интересное в аминокислотах заключается в том, что, когда они связаны друг с другом, они складываются, чтобы сформировать окончательную форму белка, а форма белка определяет, что он может делать в клетке. ³ Основная структура аминокислоты — это центральный атом углерода, связанный с аминогруппой (Nh3), карбоксильной группой (COOOH) и атомом водорода. ⁴

3 типа аминокислот

1. Условные аминокислоты

Когда организм испытывает периоды сильной травмы или стресса в результате термической травмы, сепсиса, хирургического вмешательства, заменимые аминокислоты становятся условно незаменимыми или условно незаменимыми. ⁵ Ваше тело перенапрягается в периоды восстановления и нуждается во всей возможной помощи.Следовательно, условные аминокислоты обычно не являются необходимыми, за исключением периодов болезней и стресса. К ним относятся аргинин, цистеин, глутамин, тирозин, глицин, орнитин, пролин и серин.

2. Заменимые аминокислоты

Заменимые аминокислоты — это те аминокислоты, которые вырабатываются в организме, даже если мы не получаем их из пищи, которую мы едим. ⁶ Заменимые аминокислоты включают: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновую кислоту, цистеин, глутаминовую кислоту, глутамин, глицин, пролин, серин и тирозин.

3. Незаменимые аминокислоты

Наконец, у нас есть незаменимые аминокислоты. Незаменимые аминокислоты — это аминокислоты, которые ваше тело не может производить, поэтому они должны поступать с пищей. ⁷ Девять незаменимых аминокислот — это гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин.

Нет необходимости употреблять незаменимые и заменимые аминокислоты при каждом приеме пищи, но важно соблюдать их баланс в течение всего дня. ⁸

Узнайте больше о 9 незаменимых аминокислотах и ​​источниках пищи, чтобы найти их

Преимущества аминокислот

Аминокислоты, в конечном счете, являются строительными блоками белка, обеспечивая решающую роль в восстановлении здоровья и защите ваше тело от болезней. Исследования также показали несколько преимуществ для здоровья при приеме в концентрированных дозах, таких как дополнительные формы. ⁹ Другие исследования показывают, что аминокислоты уменьшают распад белка во время упражнений и снижают уровень креатинкиназы, которая является индикатором повреждения мышц. ¹⁰

Включив в рацион продукты, содержащие аминокислоты, вы заметите улучшение своего настроения, сна, спортивных результатов и набора мышечной массы. К счастью, вы можете найти эти соединения во многих продуктах животного и растительного происхождения.

Подробнее о продуктах, богатых белком

Создано Паулиной Черна-Фрага

Какие продукты вы хотите включить, чтобы увеличить потребление аминокислот? Дайте нам знать в комментариях ниже!

Единое видение строительных блоков жизни

С момента открытия ДНК до секвенирования генома человека, матрично-зависимое образование биологических молекул от гена до РНК и белка было центральным принципом биологии.Тем не менее, истоки многих заболеваний, включая аллергию, болезнь Альцгеймера, астму, аутизм, диабет, воспалительные заболевания кишечника, болезнь Лу Герига, рассеянный склероз, болезнь Паркинсона и ревматоидный артрит, по-прежнему ускользают от нашего понимания. Ожидания о том, что определенные вариации в схеме ДНК послужили бы точному определению даже мультигенных причин этих заболеваний, остаются невыполненными. Исследования различных популяций выявили различные гены, и те гены, которые были идентифицированы, вносят вклад в заболевание у небольшой части людей с диагнозом ^1,2,3 .Перечня генетических частей кажется недостаточным для объяснения происхождения многих тяжелых болезней. Факторы окружающей среды, включая диету и микроорганизмы, также являются причинами болезней. Например, диабет 2 типа, которым страдают сотни миллионов людей, связан с диетой с высоким содержанием жиров ⁴ , и этот механизм возникновения болезни является общим для различных видов. Когда болезнь возникает из-за клеточного ответа на патоген или раздражитель окружающей среды, одна только геномика вряд ли даст ответы на все вопросы.Эта точка зрения подтверждается наблюдением, что удивительно одинаковое количество генов существует даже у самых разных форм жизни. Более того, хотя геном обеспечивает основу и основные инструкции, по которым клетка развивается и функционирует, полная сложность клеточной жизни не может быть непосредственно им закодирована.

Как неделимые единицы жизни клетки всех организмов состоят из четырех основных макромолекулярных компонентов: нуклеиновых кислот (включая ДНК и РНК), белков, липидов и гликанов.Благодаря конструкции, модификации и взаимодействию этих компонентов клетка развивается и функционирует. Борьба за понимание этого взаимодействия — забота биологов, а в последнее время и тех, кто занимается системной биологией. Но готовы ли мы принять во внимание все компоненты биологических систем для точного моделирования здоровья и болезней? Для этого должен быть очевиден основной состав всех ячеек.

Физические науки разработали периодическую таблицу элементов, чтобы передать состав и взаимосвязь материи.Родственная конструкция для биологии может обеспечить более сбалансированное представление о клетке и ее биохимии. Четыре основных компонента клеточной жизни происходят из 68 молекулярных строительных блоков (рис. 1). В отличие от генома и протеома, гликом и липидом непосредственно не кодируются ДНК. Тем не менее, гликом и липидом вносят вклад в патогенез и тяжесть растущего числа заболеваний и узурпируются патогенами в качестве рецепторов инфекции ^5,6,7,8,9 . Научные дискуссии, касающиеся этих компонентов, остаются относительно нечастыми в белкоцентричном мире клеточной биологии.Некоторые ученые сетуют на «сложность молекул». Однако наш алфавит из 26 символов, не говоря уже о китайских иероглифах, довольно легко усваивается. Представьте себе мир, в котором каждый из нас знал лишь часть алфавита.

Есть 68 молекул, которые способствуют синтезу и первичным структурам 4 основных макромолекулярных компонентов всех клеток: нуклеиновых кислот, белков, гликанов и липидов. ДНК и РНК производятся из 8 нуклеозидов.Хотя дезоксирибоза (d) и рибоза (r) являются сахаридами, они являются неотъемлемой частью энергетически заряженных нуклеозидных строительных блоков, которые используются для синтеза ДНК и РНК. В синтезе белков используются 20 природных аминокислот. Первоначально гликаны получают из 32, а возможно, и более сахаридов, используемых в ферментативном процессе гликозилирования, и часто присоединяются к белкам и липидам, хотя некоторые из них существуют в виде независимых макромолекул. Липиды представлены 8 недавно классифицированными категориями и содержат большой набор гидрофобных и амфипатических молекул.Количество молекулярных строительных блоков не дает прямого вывода об относительной структурной сложности репертуара каждого компонента. Не показано множество различных постсинтетических модификаций молекул в этих компонентах.

Междисциплинарное образование и исследования могут обеспечить обмен идеями и достижениями и будут иметь важное значение для борьбы со сложными заболеваниями, связанными с особенностями человека. Тем не менее, для отдельных ученых рискованно заниматься междисциплинарными исследованиями. Механизмы финансирования исследований по-прежнему препятствуют рискованному поведению.Между тем учебные программы университетов и программы крупных симпозиумов редко демонстрируют комплексное видение биологии двадцать первого века. Государственные и частные учреждения, которые разрабатывают образовательные программы и предоставляют финансирование, несут ответственность за обеспечение того, чтобы следующие поколения ученых получали подготовку, поддержку и ресурсы, необходимые для участия в обучении и исследованиях, которые могут беспрепятственно охватить все основные компоненты, критически важные для клеток.

Определение молекулярных строительных блоков жизни обеспечивает концептуальную основу для биологии, которая может улучшить образование и исследования, способствуя интеграции знаний.Понимание, которое дает преодоление разрыва, существующего между дисциплинами, может еще больше смягчить мнение о том, что исследователи должны неизменно жертвовать широтой знаний, чтобы обрести глубину понимания. Развитие этой интеграции будет отражать более целостные и строгие усилия, которые в конечном итоге потребуются, если мы хотим воспринимать биологические механизмы здоровья и болезней и наиболее эффективно ими манипулировать.

Список литературы

1. 1

   Шрайнер, Д., Воган, Л. К., Падилла, М. А. и Тивари, Х. К. Проблемы с общегеномными ассоциативными исследованиями. Наука 316 , 1840–1842 (2007).

   CAS Статья Google Scholar

2. 2

   Райт, Л. Глубоко, глубоко вглядываясь в свои гены. Onearth 29 , 32–35 (2007).

   Google Scholar

3. 3

   Гарбер К. Неуловимые гены БАС. Наука 319 , 20 (2008).

   Артикул Google Scholar

4. 4

   Смит С. и Херон А. Диабет и ожирение: две эпидемии. Nature Med. 12 , 75–80 (2005).

   Артикул Google Scholar

5. 5

   Gagneux, P. & Varki, A. Эволюционные соображения в связи разнообразия олигосахаридов с биологической функцией. Гликобиология 9 , 747–755 (1999).

   CAS Статья Google Scholar

6. 6

   Fahy, E. et al. Комплексная система классификации липидов. J. Lipid Res. 46 , 839–861 (2005).

   CAS Статья Google Scholar

7. 7

   Дубе, Д. Х. и Бертоцци, К. Р. Гликаны при раке и потенциале воспаления для терапии и диагностики. Nat. Rev. Drug Discov. 4 , 477–488 (2005).

   CAS Статья Google Scholar

8. 8

   Оцубо, К. и Март, Дж. Д. Гликозилирование в клеточных механизмах здоровья и болезней. Cell 126 , 855–867 (2006).

   CAS Статья Google Scholar

9. 9

   Wymann, M. P. & Schneiter, R. Передача сигналов липидов при заболевании. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 9 , 162–176 (2008).

   CAS Статья Google Scholar

Скачать ссылки

Благодарности

Я благодарю Джона Поллока, Карен Чин и Аджита Варки за обсуждения. J.D.M. поддерживается Медицинским институтом Говарда Хьюза и грантами Национальных институтов здравоохранения HL57345, HL78784 и GM62116. Иллюстрация Кэти Рис-Викари.

Информация об авторе

Принадлежность

1. Джейми Д.Март работает в отделении клеточной и молекулярной медицины и в Медицинском институте Говарда Хьюза, 9500 Gilman Drive-0625, Калифорнийский университет в Сан-Диего, Ла-Хойя, Калифорния 92093, США. [email protected]

   Джейми Д. Март

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Март, Дж. Единое видение строительных блоков жизни. Nat Cell Biol 10, 1015 (2008). https://doi.org/10.1038/ncb0908-1015

Ссылка для скачивания

Дополнительная литература

• Полимеры с отпечатком поверхностного белка на основе наноматериалов: синтез и применение в медицине

  • Mingfei Pan
  • , Liping Hong
  • , Xiaoqian Xie
  • , Kaixin Liu
  • , Jingying Yang
  • и Shuo Wang

  Химия и физика высокомолекулярных соединений (2021 год)

• Систематический дизайн биомолекулярных силовых полей

  Текущее мнение в области структурной биологии (2021 год)

• Дискриминация изомерных трисахаридов и их относительное количественное определение в меде с использованием спектрометрии подвижности захваченных ионов

  • Cédric Przybylski
  • & Véronique Bonnet

  Пищевая химия (2021 год)

• Ультратонкое кремнеземное покрытие наноструктур ДНК оригами

  • Минь-Кха Нгуен
  • , Ву Хоанг Нгуен
  • , Эшвин Картик Натараджан
  • , Йике Хуанг
  • , Йонас Рисси
  • , Боксуан Шен
  • и Антон Кузык

  Химия материалов (2020)

• Химический синтез 5’-β-гликоконъюгатов витамина B6

  • Томас Бахманн
  • , Кристиан Шнурр
  • , Лаура Зайнер
  • и Майкл Рихлик

  Исследование углеводов (2020)

Четырехмерные микростроительные блоки | Science Advances

Abstract

Четырехмерная (4D) печать полагается на печать на нескольких материалах, узоры армирования или микро / нановолоконные добавки в качестве программируемых инструментов для достижения желаемых реконфигураций формы.Тем не менее, существующие подходы к программированию по-прежнему следуют так называемому принципу дизайна оригами для создания реконфигурируемых структур с помощью самосгибающихся двухмерных материалов, особенно в небольших масштабах. Здесь мы предлагаем программируемую модульную конструкцию, которая напрямую конструирует трехмерные реконфигурируемые микроструктуры, способные выполнять сложные преобразования трехмерной формы в трехмерную путем сборки четырехмерных микростроительных блоков. Прямое лазерное письмо 4D используется для печати двухфотонно полимеризуемых, реагирующих на стимулы гидрогелей для создания строительных блоков в микрометровом масштабе.Параметры Денавита-Хартенберга (DH), используемые для определения кинематики манипулятора робота, представлены в качестве руководства по сборке микростроительных блоков и планированию трехмерного движения собранных блоков цепи. Наконец, с использованием параметров DH для управления движением различных собранных отсеков был разработан и изготовлен напечатанный на 3D-принтере микромасштабный трансформатор, способный изменять свою форму от гоночного автомобиля до робота-гуманоида.

ВВЕДЕНИЕ

Системы изменения формы были разработаны и используются в широких областях, включая камуфляж ( 1 ), мягкие роботизированные приводы ( 2 — 5 ), системы слежения за солнцем ( 6 ) и биомедицинские устройства ( 7 — 10 ), чтобы облегчить контроль и восприятие при взаимодействии между машинами и их средой.Самоформирование из двумерных (2D) материалов имеет стандартную парадигму при создании машин трехмерного морфинга с помощью вычислительных конструкций оригами. Самоформование — это особенно уникальный и эффективный метод при создании небольших машин, поскольку он не требует ручного процесса сборки, а изменение формы может осуществляться по беспроводной сети ( 11 — 17 ). Исследователи также реализовали программируемые преобразования формы в 2D-материалах путем введения волокнистых микро- и наноархитектур ( 18 , 19 ), усиления наночастиц ( 20 — 23 ) или неоднородного сшивания ( 24 , 25 ) в реагирующие на раздражители гели или полимеры с памятью формы.Хотя оригами в основном может отображать любые трехмерные формы на сложные двухмерные чертежи, оно визуализирует машины оригами либо с плохими несущими конструкциями, либо с упругими мягкими структурами с ограниченной нагрузочной способностью ( 26 — 29 ).

Последние достижения в области 3D-печати наделили машины для прямой печати пространственно контролируемыми механическими свойствами ( 30 — 34 ). Сложные методы печати из нескольких материалов, которые сочетают в себе материалы, реагирующие на раздражители, с различными свойствами и микро / нанодобавками, были разработаны для обеспечения программируемого изменения формы при 3D-печати ( 35 , 36 ).Однако существующие подходы к программированию унаследованы непосредственно от своих аналогов оригами. Таким образом, современные машины для 3D-морфинга по-прежнему создаются посредством 3D-печати в плоских 2D-самосгибающихся структурах ( 37 , 38 ). Отсутствие программируемой парадигмы проектирования, характерной для 3D-печати, можно объяснить заметно возросшей вычислительной сложностью прямых и обратных схем преобразования форм из 3D в 3D. Более того, анализ методом конечных элементов (FEA) ( 39 , 40 ), который долгое время был единственным инструментом, способным моделировать преобразования формы прямых 3D-печатных структур, является трудоемким процессом, особенно при анализе эволюции. сложной 3D-формы.Вычислительная нагрузка значительно возрастает по мере усложнения программируемых конструкций. Модульные конструкции в качестве альтернативы исследовались в реконфигурируемой робототехнике на протяжении десятилетий, чтобы обогатить морфологию, возможности и степени движения отдельных роботов ( 41 — 43 ). Было разработано несколько алгоритмов для автоматического создания проекта сборки и планирования движения в модульных роботах ( 44 ). Однако алгоритмы модульного проектирования вряд ли применимы к малоразмерным машинам из-за фундаментальных различий в конструкции, изготовлении и принципах срабатывания.

В этой работе мы предлагаем программируемую модульную конструкцию морфинга, вдохновленную модульной робототехникой ( 41 — 44 ) и LEGO-подобными строительными блоками ( 45 ), чтобы облегчить проектирование сложных 3D-to-3D. преобразования формы в микроструктурах, напечатанных на 3D-принтере. Прямая лазерная запись 4D (4D DLW) с субмикронным разрешением ( 46 ) используется для создания разнообразных микромасштабных строительных блоков с изменяющейся формой с использованием двухфотонного полимеризуемого гелевого предшественника, степень сшивки которого может модулироваться дозировкой лазера ( Инжир.1А). Пространственно и временно управляемая лазерная запись создает сети из полимеров с различными поперечными связями, которые жизненно важны для разработки направления и величины преобразования формы в ответ на внешние стимулы, таким образом обеспечивая строительные блоки активно деформирующимися слоями, жесткими слоями и податливыми шарнирными соединениями. Модульная конструкция может реконструировать большие и сложные преобразования формы континуума путем сборки крошечных реплицированных строительных блоков с небольшими и простыми дискретными деформациями.Каждый строительный блок можно рассматривать как двигатель с ограниченным вращением, так что сборка строительных блоков напоминает роботизированную руку, движение которой может быть зафиксировано прямой кинематикой с использованием параметров Денавита-Хартенберга (DH). Параметры DH также дают нам рекомендации по сборке строительных блоков в 3D и планированию их движения в 3D. Метод FEA вводится для количественного изучения деформации каждого вида воспроизводимых строительных блоков. Этот анализ хорошо согласуется с экспериментальными результатами.Как только мы получаем контроль над отдельными строительными блоками с помощью FEA, параметры DH используются в качестве руководящих принципов проектирования для сборки различных строительных блоков и программирования трехмерного движения каждой собранной секции для обеспечения сложных преобразований из трехмерного изображения в трехмерное, что значительно снижает вычислительную нагрузку. .

( A ) Схема процесса печати с использованием системы DLW.Цветовая шкала мощности лазера (LP) колеблется от 10 до 40 мВт. ( B ) Механические характеристики печатного материала с изменяющейся мощностью лазера, в которых σ обозначает номинальное напряжение сжатия, а λ — соответствующий коэффициент растяжения. ( C ) Влияние мощности лазера на плотность сшивки Nv и параметр взаимодействия Флори (χ). ( D ) Цветочная микроструктура с запрограммированной чувствительностью для демонстрации контролируемой деформации. Внешние (пассивные) слои всех лепестков были напечатаны с мощностью лазера 40 мВт и скоростью сканирования 8 мм / с; внутренний (активный) слой каждого лепестка был напечатан с той же скоростью, но с постепенно увеличивающейся мощностью лазера.После полного обезвоживания трансформированные лепестки демонстрировали такую ​​же кривизну изгиба, как и предсказанные методом FEA. Масштабная линейка 40 мкм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Метод FEA для микростроительных блоков 4D

В отличие от 3D-печати, 4D-печать в значительной степени полагается на математику для решения сложных прямых и обратных задач. Успех 4D-печати зависит от того, насколько точны вычислительные модели по сравнению с экспериментальными результатами. Как правило, точный FEA требует большой вычислительной нагрузки, и расхождение становится критической проблемой, когда моделируемая трехмерная модель становится более сложной.Чтобы решить эту проблему, мы предлагаем модульную конструкцию, в которой большую и сложную трехмерную структуру и ее преобразование формы можно реконструировать с помощью небольших дискретных строительных блоков. Эти строительные блоки следуют параметрам DH, которые определяют прямую и обратную кинематику собранных цепных блоков. Затем вводится метод FEA для изучения деформации каждого реплицированного строительного блока.

Здесь мы проводим МКЭ на основе теории Флори ( 47 ), в которой нам нужно только охарактеризовать механические свойства геля, полимеризованного с различной мощностью лазера в полностью набухшем состоянии.Другие свойства материала, такие как плотность сшивки и параметр взаимодействия Флори, наряду с эволюцией формы при изменении условий окружающей среды, могут быть впоследствии получены с помощью теории Флори. Сначала мы охарактеризуем соотношение напряжения и деформации полимеризованных гелей в зависимости от мощности лазера с помощью группы микромеханических испытаний на сжатие in situ (см. Раздел S1 и рис. S1). Этот тест проводился в щелочном растворе с pH ≈ 9, в котором образцы были полностью набухшими.На рис. 1В показана зависимость номинального напряжения сжатия от степени растяжения гелевых образцов с различными параметрами фотоотверждения. Наклон подобранных кривых напрямую связан с мощностью лазера, принятой во время фотополимеризации. Следуя работе Hong et al. ( 47 ) номинальное напряжение может быть выражено частной производной преобразования Лежандра с поправкой на функцию свободной энергии относительно градиента деформации, которая дает следующее (подробнее см. Разделы S2 и S3) vσijkT = Nv ( Fij − Hij) + [Jln (1−1J) + 1 + χJ − μkTJ] Hij (1) где σ _ij — номинальное напряжение; F _ij представляет градиент деформации; J = det F = λ ₁ λ ₂ λ ₃ = 1 + vC — инвариант градиента деформации, где λ ₁ , λ ₂ и λ ₃ обозначают растяжение полимера в трех основных направлениях соответственно; C — концентрация молекул растворителя; v — объем на молекулу; μ — химический потенциал; и H _ij представляет собой обратное транспонирование градиента деформации.Здесь χ — параметр взаимодействия Флори, обозначающий степень смешения растворителя и полимера, величина которой зависит от температуры и концентрации полимера. Чтобы устранить сингулярность свободной энергии в формуле. 1, мы назначаем в качестве эталона состояние свободного набухания, а не сухое состояние. Таким образом, мы можем разумно предположить, что химический потенциал (μ) растворителя равен нулю, и уравнение. 1 можно вывести как Nv (λ0λ1′ − 1λ0λ1 ′) + λ02λ2′2ln (1−1λ03λ1′λ2 ′) + 1λ0λ1 ′ + Nv (λ02−1) + λ03ln (1−1λ03) + 1λ04λ1′2λ2′2 = λ02σ M (2) с M = kT / v и λ2′2 = λ1′2 − σ′λ0λ1 ′ / MNv, где λ ₀ — растяжение, вызванное свободным набуханием.Для изотропной деформации со свободным набуханием λ ₁ = λ ₂ = λ ₃ = λ ₀ . Уравнение 2 представляет внутреннюю взаимосвязь между номинальным напряжением и растяжением, где переменные σ ^‘ и λ1′ могут быть определены экспериментально из испытания на одноосное сжатие (рис. 1B). Впоследствии мы задали произведение N и v как безразмерный параметр Nv , который характеризует плотность сшивки геля.Мы обнаружили, что есть только два неизвестных параметра: Nv и λ ₀ в уравнении. 2, значения которого при различных параметрах отверждения можно оценить, подбирая уравнение. 2 с экспериментальными данными, полученными при испытаниях на одноосное сжатие. На рисунке 1C представлены безразмерный параметр Nv и параметр взаимодействия Флори χ в зависимости от мощности лазера, изменяющейся от 20 до 40 мВт с постоянной скоростью сканирования. Nv неуклонно увеличивается и постепенно выходит на плато по мере приближения мощности лазера к ~ 30 мВт, что указывает на то, что гель полностью полимеризован и его плотность сшивания в конечном итоге становится постоянной.Точно так же параметр взаимодействия Флори χ постепенно увеличивается с увеличением мощности лазера и становится инвариантным, когда мощность лазера превышает 30 мВт. Это также означает, что взаимодействие при перемешивании между растворителем и полимером постепенно становится стабильным.

После получения характеристик материала мы провели моделирование методом конечных элементов на основе коммерческого программного обеспечения Abaqus (Abaqus / CAE 2016, Dassault Systèmes S.A., Франция), чтобы спрогнозировать эволюцию формы 3D-печатных структур с различным химическим потенциалом.Мы использовали формулу. 1 для описания деформации гелей в растворителях с разными химическими потенциалами. Nv и χ с различной мощностью лазера были импортированы в моделирование для определения механических свойств гелей. Чтобы проверить точность нашего предсказания методом конечных элементов морфинга формы печатных структур, был спроектирован микроцветок, состоящий из 10 двухслойных лепестков (рис. 1D), каждый из которых был закодирован с помощью различных дозировок лазера для обеспечения различной кривизны морфинга. и протестирован в различных средах на разбухание и усадку.Печатная структура осталась неизменной при набухании в щелочном растворе, хотя в кислом растворе она значительно уменьшилась. Таким образом, усадка в кислотном растворе является доминирующей движущей силой, используемой в этой работе для деформации печатных строительных блоков. Кроме того, предлагаемый FEA может даже захватывать форму, когда он полностью обезвоживается на воздухе (рис. 1D). В следующих разделах мы сосредоточимся на деформации печатных структур, вызванной усадкой при снижении значений pH окружающей среды.

Стратегии конструирования строительных блоков

Представьте себе, что произвольная трехмерная структура представлена ​​как модульная конструкция, созданная путем сборки множества реплицированных трехмерных печатных строительных блоков, подобных LEGO. Следуя этой концепции, мы можем представить реконфигурируемую архитектуру как модульную трансформируемую систему, состоящую из различных деформируемых 4D строительных блоков (рис. 2A). Строительные блоки 4D можно просто рассматривать как кубическую ячейку с двухслойной конфигурацией, включающей активный и пассивный материал.Гетеродислойная конфигурация изгибается в направлении активного слоя по мере усадки активного материала. Чтобы еще больше улучшить деформируемость и программируемость строительных блоков 4D, мы представляем шарнирный механизм, основанный на неоднородности сверхвысокой точности 4D DLW. Шарнирно-сочлененные микро-строительные блоки состоят из нескольких тонких двойных слоев, состоящих из активного и пассивного слоев, податливых петель и жестких опор в едином строительном блоке. Податливые соединения облегчают деформацию, вызываемую активными слоями, и увеличивают степень свободы морфинга.На рис. 2В показана расчетная кривизна изгиба обычных четырехмерных строительных блоков и шарнирных четырехмерных микро-строительных блоков с различным соотношением толщин ( м ) между их активным и пассивным слоями. Кривизна изгиба шарнирного соединения как минимум в два раза больше, чем у обычного (см. Раздел S3). На рисунке 2C также показано, что кривизну изгиба шарнирных микростроительных блоков можно точно настроить, изменяя их соотношение гибкости ( b , ширина к высоте) и мощность лазера на активном слое (фиг.S2 и S3). Благодаря пространственно и временно контролируемой плотности сшивки в печатном материале, степени свободы преобразования шарнирных строительных блоков могут быть дополнительно увеличены путем изменения пространственного расположения активных и пассивных слоев, а также шарнирных соединений. Несколько вариантов шарнирных строительных блоков показаны на рис. 2D, показывая, что наличие шарнирных соединений может привести к совершенно другой форме.

( A ) 4D микростроительные блоки эволюционируют от обычных статических строительных блоков, напечатанных на 3D-принтере, до деформируемых строительных блоков и далее в шарнирные строительные блоки благодаря развитию активных материалов и методов микрообработки. Усадка активного слоя в основном вызывает деформацию при снижении pH растворителя, что заставляет двухслойные структуры изгибаться к активному слою. ( B ) Влияние отношения толщины между активным слоем и пассивным слоем ( м, ) на кривизну изгиба (κ), что указывает на то, что шарнирные строительные блоки деформируются больше, чем обычные двухслойные строительные блоки.( C ) Кривизна изгиба шарнирных строительных блоков точно настраивается путем изменения коэффициента гибкости ( b ‘) между шириной и высотой блоков и параметров лазера между активным и пассивным слоями. ( D ) Различные моделируемые режимы преобразования формы шарнирных строительных блоков путем изменения пространственного расположения двухслойных механизмов и податливых шарнирных соединений.

Правила сборки и планирования движения модульной системы

Принимая во внимание общую жесткость конструкции, свободу сборки и программируемость четырехмерных микростроительных блоков, мы также представляем восьмиугольный призматический микроцилиндр в качестве основных строительных блоков для создания большего и более сложная морфируемая модульная система, которая следует принципу суперпозиции.На виде сбоку на фиг. 3A мы можем видеть, что восьмиугольный призматический строительный блок состоит из пары активных слоев и шарнирных соединений, а также трех пар пассивных слоев. Его трехмерную конфигурацию можно рассматривать как выдавливание вида сбоку в нормальном направлении. Деформация одного призматического строительного блока также моделируется методом FEA. Усадка строительного блока вызывает вращательное движение в собранных цепных блоках, как показано на фиг. 3B. Каждый строительный блок можно рассматривать как поворотное соединение, соединяющееся с другим звеном (опорой).Сборка нескольких строительных блоков напоминает роботизированную руку для создания желаемых трехмерных движений. Движение собранных цепей с ограниченным количеством строительных блоков также может быть хорошо оценено методом FEA, что хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Однако FEA не может уловить сложное движение, вызванное сборкой большого количества ( n > 60) строительных блоков, поскольку численные результаты имеют тенденцию расходиться. Чтобы решить эту проблему, мы вводим параметры DH, которые используются для расчета преобразований формы роботизированной руки, состоящей из нескольких шарниров и жестких стержней.Параметры DH следуют принципу суперпозиции и описывают любые сложные преобразования только с четырьмя физическими параметрами в закрытой аналитической форме ( 48 , 49 ). Уравнения кинематики для последовательной цепи модульной системы получены с использованием преобразования [ Z ] для характеристики относительного перемещения, разрешенного в каждом соединении, и отдельного преобразования [ X ] для определения размеров каждого звена. Результатом является последовательность преобразований, которые чередуют преобразования суставов и звеньев от основания цепи к ее конечному звену, которое приравнивается к указанной позиции для конечного звена [T] = [Z1] [X1] [Z2] [X2] ] ⋯ [Zn-1] [Xn-1] (3) где T — преобразование, определяющее конечное звено последнего строительного блока.Это соглашение позиционирует соединительную раму таким образом, чтобы она состояла из винтового смещения по оси Z [Zi] = Transzi (di) Rotzi (θzi) (4), и позиционирует соединительную раму таким образом, чтобы она состояла из винтового смещения вдоль ось X [Xi] = Transxi (Ri, i + 1) Rotxi (αi, i + 1) (5), где θ _{z i} , d _i , R _i и α _{i , i + 1} известны как параметры DH (см. Раздел S4).Эти параметры могут быть реализованы в нашей модульной системе морфинга. Они определяют правила сборки и планирования движения строительных блоков, показанных на рис. 3 (от B до E). На рис. 3 (B и C) показано смоделированное вращательное движение пяти собранных строительных блоков, закодированных с различными θ _z и R . Эти строительные блоки соединены друг с другом с помощью жесткого стержня, чтобы избежать взаимодействия деформаций между каждым строительным блоком, обеспечивая справедливость принципа суперпозиции.Амплитуда и ориентация каждого строительного блока, вращающегося вокруг оси Z , определяются (θ _{z i} ) и могут контролироваться путем изменения плотности мощности лазера и пространственного расположения внутренних активных слоев соответственно. На рисунке 3D показан каждый строительный блок, собранный со смещениями ( d _i ) вдоль противоположной оси Z. Таким образом, рис. 3, B и D вместе представляют смещение винта вдоль оси Z , напоминая формулу.4, в то время как смещение другого винта по оси X реализуется в комбинации рис. 3, C и E. На рис. 3C показано, что соединение поворотных соединений с неактивными строительными блоками может увеличить радиус вращения i , i + 1 ) по оси X . Между тем, на рис. 3E показаны строительные блоки, собранные с углами (α _{i , i + 1} ), вращающимися вокруг оси X , измеренной от предыдущей оси Z до новой оси Z .Эти четыре параметра вместе определяют правила трехмерного преобразования и сборки предлагаемых модульных систем.

( A ) Схема и расчетная геометрия шарнирных строительных блоков, основная структура которых представляет собой восьмиугольный призматический полый цилиндр, состоящий из пар активных слоев, пассивных слоев и шарнирных соединений. ( B ) Вращательная деформация, вызванная усадкой активных слоев.Каждый строительный блок можно рассматривать как комбинацию вращающегося шарнира и жесткого стержня, напоминающего манипулятор робота. (От C до E ) Схемы вращательных движений с контролируемой амплитудой и ориентацией, обеспечиваемые сборкой различных предварительно запрограммированных строительных блоков. (B), (C), (D) и (E) определяют, как четыре параметра DH θ, R , d и α реализованы в наших модульных строительных блоках соответственно. FEA предоставляет средства для количественной сборки сложной модульной системы.

Обратное и прямое проектирование модульных систем

Если задана произвольная трехмерная форма, мы можем преобразовать ее в дискретный аналог, состоящий из конечного числа соединений. Затем мы можем получить параметры DH с помощью обратной кинематики и построить преобразование формы между целевым и первоначально собранными строительными блоками с помощью уравнения. 3 (см. Рис. 4A, рис. S5 и раздел S4 для получения более подробной информации). Например, рассмотрите форму волны как целевую форму и первоначально собранную конструкцию в форме рулона.Параметры DH позволяют найти преобразование между формой волны и формой валка. Здесь θ _z — единственный переменный параметр, связывающий волну и качение, и мы кодируем этот параметр в рулон, чтобы он трансформировался из формы рулона в форму волны. Очень важно, чтобы количество дискретных стыков мишени было таким же, как количество строительных блоков в собранной конструкции. На рисунке 4B показаны экспериментальные результаты с геометрически идентичными плоскими полосами, которые состоят из 60 строительных блоков, закодированных с различными θ _z , d и R , которые могут трансформироваться в различные целевые формы, а именно соты, рулоны и волна [см. рис.4B (с I по III) и фильмы с S1 по S6]. Их обратные параметры (θ _z ) представлены в таблицах S1 и S2.

( A ) Нахождение обратной задачи для программирования структуры, которая принимает желаемую форму. Учитывая произвольную форму, такую ​​как волна, модульная конструкция преобразует ее в дискретный аналог с конечным числом соединений, а затем получает параметры DH. Модульная система затем создает преобразование формы между заданной формой волны и конфигурацией собранного валка путем кодирования перевернутого θ _z в валок, чтобы он трансформировался в форму волны.На изображении обратной конструкции рулона, закодированного разными цветами, сплошные кружки указывают, что θ _z является положительным, а полые кружки указывают, что θ _z отрицательно. ( B ) Оптические изображения собранных строительных блоков, закодированные с различными параметрами DH.

Как правило, обратная конструкция может быть изменена на прямую. Однако в случае с очками обратная сторона обратной конструкции отличается от ее передней конструкции.Обратите внимание, что если на пути преобразования формы происходит столкновение, то прямая кинематика не может зафиксировать преобразование. Мы показываем, что плоская полоса, состоящая из всех строительных блоков, закодированных с одним и тем же θ _z , также может трансформироваться в форму очков, в которых создаются два круга с одинаковой кривизной, без обратной схемы (рис. 4B, IV). На рис. 4B (V и VI) показаны экспериментальные результаты смещения винта вдоль оси Z при изменении d _i и θ _z в каждом строительном блоке, которые могут быть зафиксированы уравнением.4. Добавив в сборку постоянное смещение оси Z ( d _i ), очки можно преобразовать в спиральные, и форма рулона станет спиральной.

Используя три параметра ( R , d и θ _z ), как показано на рисунке 4, мы получаем контроль над прямой и обратной задачами относительно простых модульных структур (1D и 2D сборка и одиночная свобода вращения). Кроме того, назначая четвертый параметр α для включения трехмерной сборки, мы можем создавать сложные трехмерные структуры, закодированные с помощью более сложных преобразований формы из трехмерного в трехмерное.Следуя конструктивному принципу прямой кинематики, представленному на рис. 3, мы дополнительно разработали преобразователь в масштабе микрометра путем трехмерной сборки и трехмерного планирования движения четырехмерных строительных блоков (рис. 5A) и напечатали его с помощью 4D DLW (рис. 5B). ). Разработаны пять основных функциональных частей, включая шею (I), плечо (II), руки (III), позвоночник (IV) и ноги (V), и их соединения описаны на рис. 5C. Преобразования каждого отсека можно зафиксировать отдельно с помощью ряда параметров DH, показанных на рис.5D. Мы выбрали этот преобразователь в качестве демонстрации, потому что он использует комбинацию нескольких уникальных преобразований, чтобы понять изменение формы между гоночным автомобилем и гуманоидным роботом (рис. 5E).

( A ) Компьютерная модель микромасштабного гоночного автомобиля в соответствии с предлагаемыми правилами сборки. Розовый цвет обозначает жесткие и недеформируемые компоненты.( B ) 4D DLW проектирование и производство разработанного гоночного автомобиля. ( C ) Подробное описание соединений пяти основных частей: шеи, плеч, рук, позвоночника и ног. ( D ) Запрограммированная деформация каждого отсека, закодированная с определенными параметрами DH. ( E ) Последовательные оптические изображения, показывающие процесс преобразования формы из 3D в 3D микромасштабного преобразователя гоночного автомобиля в робота-гуманоида. Синяя стрелка обозначает направление диффузии потока кислой жидкости.

Насколько нам известно, это первый раз, когда был создан трансформатор, который автоматически меняет свою форму и встает в таком маленьком масштабе (см. Фильм S7).Однако одна из основных проблем при проектировании трансформатора — обеспечить одновременное преобразование каждого компонента. Особенно важно иметь рациональный дизайн, чтобы каждый компонент не мешал другим, чтобы обеспечить желаемое преобразование формы. По этой причине микромасштабный трансформатор, показанный на рис. 5, выглядит слишком упрощенным по сравнению с его крупномасштабными аналогами. Реальные 4D-напечатанные структуры, в которых измерение времени также может быть закодировано во время печати, в значительной степени облегчили бы реконфигурируемые конструкции в виде различных отсеков, которые могут последовательно трансформироваться в желаемом порядке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы предложили программируемую модульную конструкцию, основанную на сборке микростроительных блоков 4D, чтобы облегчить сложные прямые и обратные задачи 4D печати. Модульная конструкция позволяет реконструировать большие и сложные трехмерные структуры и преобразовывать их формы с помощью трехмерной сборки реплицированных четырехмерных строительных блоков, закодированных с небольшими дискретными деформациями. Прямая кинематика и параметры DH используются для предоставления рекомендаций по сборке и фиксации преобразований формы.FEA прогнозирует изменение формы каждого строительного блока без учета всей конструкции. Это заметно снижает вычислительную сложность. Мы продемонстрировали, что микромасштабный трансформатор, способный к сложным трехмерным преобразованиям формы, может быть разработан и изготовлен с использованием четырех параметров DH и одноэтапного изготовления DLW в фотореактивных гидрогелях. Мы ожидаем, что предлагаемая модульная конструкция, которая напоминает прямую и обратную кинематику манипулятора робота, проложит путь к упрощению проектирования сложной прямой 4D-печати.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Синтез предшественников геля

В типичной процедуре N -изопропилакриламид (NIPAAm; 98%) и акриловая кислота (AAc; 99%) служили функциональными мономерами геля, реагирующего на раздражители, и добавляли к раствору этиллактата (EL; 98%) и интенсивно перемешивали в течение 30 мин. Поливинилпирролидон (ПВП; средняя молекулярная масса ~ 1300000) был добавлен для регулирования вязкости фоторезиста, чтобы предотвратить структурный коллапс и сдвиг во время создания сложных трехмерных архитектур.После полного растворения вышеуказанный раствор, дипентаэритритпентаакрилат (DPEPA; 98%) сшивающий агент, триэтаноламин (TEA; 99%) фотосенсибилизатор и 4,4′-бис (диэтиламино) бензофенон (EMK; 97%) / N , N Раствор фотоинициатора -диметилформамида (ДМФ; 99,5%) (20 мас.%) Смешивали и перемешивали в течение 2 часов с получением гомогенного и прозрачного предшественника геля. Фоторезист перед использованием хранился в условиях отсутствия окружающего ультрафиолетового света. NIPAAm, AAc, EL, PVP, DMF и TEA были закуплены у Aladdin Chemicals.EMK был получен от Reading Chemical Technology (Shanghai) Co. Ltd. DPEPA был предоставлен American Barki Chemical Inc. Все химические вещества использовали без дополнительной очистки.

Процедуры 4D μ-печати

Перед печатью квадратную подложку из боросиликатного стекла (22 мм на 22 мм, толщиной от 0,13 до 0,17 мм; Thermo Fisher Scientific Inc.) очищали ацетоном, изопропиловым спиртом (IPA) и деионизировали. водой и сушили в атмосфере азота перед тем, как поместить в печь при 120 ° C на 20 мин.После охлаждения до комнатной температуры поверхность была модифицирована с помощью кислородной плазмы для получения напечатанной микроструктуры с хорошей адгезией. Предшественник геля капали на предметное стекло, на котором микроструктура была напечатана с помощью имеющейся в продаже системы трехмерной лазерной литографии (Photonic Professional GT, Nanoscribe GmbH) с масляно-иммерсионным объективом с числовой апертурой (NA) 63 × 1,4. Во время изготовления мощность лазера (от 0 до 50 мВт) с длиной волны 780 нм и скоростью сканирования (от 0 до 100 мм / с) были запрограммированы для сшивания материалов с различной плотностью.После печати образцы проявляли IPA в течение 30 минут и дважды промывали свежим IPA с последующим погружением в сверхчистую воду.

МКЭ и компьютерное проектирование

Мы провели МКЭ для моделирования реакции микроструктур, напечатанных в формате 4D, на различные стимулы, как указано в основном тексте. Вкратце, мы построили трехмерные модели этих микроструктур и сгенерировали сетки конечных элементов с типом элемента C3D8H (восьмиузловой линейный кирпич, гибрид) с помощью программного обеспечения Abaqus (Dassault Systèmes S.A., Франция) для проведения анализа с помощью численного моделирования. Мы использовали теоретическую модель Хонга и соавторов ( 47 ), чтобы охарактеризовать деформацию гелевых материалов в различных растворителях с химическим потенциалом, в которой параметры Nv, и χ были определены с помощью экспериментально подобранных кривых данных, как показано на рис. 1С. На практике мы ввели в Abaqus определяемую пользователем подпрограмму гиперупругих материалов (UHYPER) для определения механических свойств микроструктур на основе геля при различных дозах воздействия и предположили, что безразмерные параметры представляют собой нулевой химический потенциал.Во всех численных моделированиях мы игнорировали влияние силы тяжести, потому что плотность геля в набухшем состоянии была очень близка к плотности воды или других растворов, которые мы использовали в экспериментах. Точно так же мы выполнили компьютерный дизайн на основе FEA, чтобы охарактеризовать морфологические изменения микроструктур перед печатью. Варьируя μ, мы можем моделировать изменение формы при различных значениях pH. Как упоминалось ранее, мы указали μ = 0, когда печатные структуры находятся в полностью набухшем состоянии и pH ≈ 9.Сравнивая результаты FEA с экспериментами, мы получили, что μ = — 2, когда печатные структуры находятся в полностью усадочном состоянии (в кислотных растворителях с pH ≈ 6).

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/3/eaav8219/DC1

Раздел S1. Испытания на набухание, усадку и механические свойства печатных материалов

Раздел S2. Теоретическое моделирование и определение параметров

Раздел S3.Сравнение деформации обычных и шарнирных строительных блоков

Раздел S4. Обратная конструкция

Рис. S1. Характеристика набухания, усадки и механических свойств гелевых материалов.

Рис. S2. Схематические кривизны различных стратегий 4D-печати и геометрических размеров.

Рис. S3. Концепции дизайна и формы деформации двух стратегий 4D-печати.

Рис. S4. Сравнение экспериментальных результатов спиральных строительных блоков и моделирования методом конечных элементов.

Рис. S5. Обратный дизайн на основе микростроительных блоков 4D.

Таблица S1. Параметры угла поворота при преобразовании сот в волну.

Таблица S2. Параметры угла поворота спирально-волнового преобразования.

Фильм S1. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в сотовые формы.

Фильм S2. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в формы рулона.

Фильм S3. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в формы волн.

Фильм S4. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в формы очков.

Фильм S5. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в спиральные формы.

Фильм S6. Модульная система морфинга, состоящая из 60 строительных блоков, закодированных в спиральные формы.

Фильм S7. Трансформатор собран из 4D микростроительных блоков.

Ссылки ( 50 — 52 )

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что в результате используется , а не для коммерческой выгоды и при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Благодарности: Мы благодарим Q.W. Чао и С. Lv за их проницательные комментарии и предложения по редактированию этой статьи. Мы также благодарим W. Cui из Nanoscribe GmbH (Китай) и F. Qiu из FemtoTools AG за техническую поддержку. Финансирование: Эта работа была поддержана при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая в рамках гранта №№. 91848201, 11988102, 11521202, 11702003, 11802004 и 11872004; Пекинским фондом естественных наук в рамках гранта № L172002; и Гонконгским советом по исследовательским грантам (RGC) в рамках гранта №JLFS / E-402/18. Вклад авторов: T.-Y.H., H.-W.H. и H.L.D. задумал идею и разработал исследование. T.-Y.H. и H.L.D. построил экспериментальную площадку. T.-Y.H., D.D.J. и Q.Y.C. разработал 4D μ-печать, основанную на прямом лазерном письме. T.-Y.H., H.-W.H., Q.Y.C., D.D.J. и L.Z. провели исследование и проанализировали данные. Q.Y.C. и J.Y.H. сформулирована и реализована вычислительная модель. H.-W.H., T.-Y.H. и H.L.D. написал статью при участии всех авторов. Конкурирующие интересы: T.-Y.H., H.L.D. и D.D.J. являются изобретателями по заявке на патент, связанной с этой работой, поданной Пекинским университетом (CN201810153284.6, поданной 14 февраля 2018 г.). T.-Y.H. и H.L.D. являются изобретателями по патенту, связанному с этой работой, поданному Пекинским университетом (201810151527.2, подана 14 февраля 2018 г.). Авторы заявляют об отсутствии другого конфликта интересов. Доступность данных и материалов : Все данные, необходимые для оценки выводов в документе, представлены в документе и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

• Copyright © 2020 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Чтение: Строительные блоки материи

Зачем изучать химию минералов? Минералы состоят из атомов , которые влияют на поведение и характеристики минерала.Таким образом, чтобы понять, объяснить и предсказать поведение минералов и горных пород, состоящих из минералов, мы должны понять некоторые основные факты об атомах и их поведении. Это требует базового понимания химии. Мы начнем с конструирования атомов в нашем мышлении в терминах трех субатомных частиц, из которых состоят атомы.

Атомов

Рис. 1. Изображенные здесь элементы, такие как гелий, состоят из атомов. Атомы состоят из протонов и нейтронов, расположенных внутри ядра, а электроны находятся на орбиталях, окружающих ядро.

Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны имеют положительный (+) электрический заряд. Электроны имеют отрицательный (-) заряд, который в точности равен электрическому заряду протона и противоположен ему. Нейтроны электрически нейтральны.

Большая часть массы атома заключена в его крошечном ядре. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые имеют примерно одинаковую массу (около 1,67 × 10 ⁻²⁴ грамма).С другой стороны, электроны расположены на определенных орбиталях вокруг ядра атома; они также намного меньше по массе, чем протоны и нейтроны, и весят всего 9,11 × 10 ⁻²⁸ граммов, или примерно 1/1800 веса протонов и нейтронов.

Несмотря на то, что масса электрона является крошечной массой по сравнению с массой протона или нейтрона, электроны занимают большую часть объема атома (см. Рисунок 1).

Ионы

У нейтрального атома такое же количество электронов, как и у протонов.Атом, который потерял или получил какие-либо электроны, больше не является электрически нейтральным атомом. Этот тип атома, который не является электрически нейтральным и имеет связанный с ним электрический заряд, называется ионом . Атомы, получившие электроны, являются отрицательно (-) заряженными ионами или анионами . Атомы, потерявшие электроны, являются положительно (+) заряженными ионами, или катионами, .

Также возможно иметь ионы, которые на самом деле представляют собой небольшие группы атомов, связанных вместе.Они известны как многоатомные ионы. Одним из примеров многоатомного иона является карбонат-ион (CO ₃ ) ^2-, который имеет два дополнительных электрона, что дает ему чистый электрический заряд 2−.

Химические формулы

Мы только что видели, что карбонат-ион также может называться (CO ₃ ) ^2-. Но что конкретно это означает?

Сначала давайте посмотрим на буквы: CO. Атомы имеют химические символы; каждому элементу присвоена одна или две буквы, обозначающие его.Таким образом, C обозначает углерод, а O обозначает кислород (все эти химические символы можно увидеть в периодической таблице на рисунке 2 ниже).

Как мы читали выше, ^2- означает, что у иона есть два дополнительных электрона. А как насчет ₃ ? Это означает, что в ионе есть три атома кислорода. Число атомов в конкретной формуле всегда указывается в нижнем индексе. Заряд всегда пишется надстрочным индексом в конце формулы (надстрочный индекс в начале формулы означает что-то еще — мы вернемся к этому, когда будем обсуждать изотопы ниже).Скобки вокруг CO ₃ указывают на то, что заряд принадлежит всей многоатомной единице, а не только O ₃ .

Таким образом, карбонат-ион представляет собой один атом углерода (C), три атома кислорода (O ₃ ) и два дополнительных электрона ( ^2-), которые заряжают весь многоатомный ион.

Периодическая таблица

Встречающиеся в природе атомы, обнаруженные на Земле, варьируются от водорода с одним протоном в ядре до урана с 92 протонами в ядре.Это природные химические элементы, в том числе такие общеизвестные элементы, как углерод, кислород, железо и так далее. В периодической таблице перечислены все химические элементы таким образом, чтобы можно было узнать, сколько протонов у каждого из них, как устроены его электроны и каково общее химическое поведение каждого элемента.

Рис. 2. Перейдите по этой ссылке, чтобы перейти к большой версии Периодической таблицы. Ссылка откроется в новом окне, чтобы вы могли легко ссылаться на нее при чтении этой страницы.

Как показано на рисунке 2, периодическая таблица состоит из восемнадцати групп и семи периодов. Под основной таблицей помещены два дополнительных ряда элементов, известных как лантаноиды и актиниды. Эти элементы размещены отдельно, чтобы сделать стол более компактным. Все элементы в группе имеют схожее химическое поведение. Это связано с тем, что все элементы в группе имеют одинаковое расположение электронов в своих атомах, и именно расположение электронов определяет химическое поведение элемента.

Для каждого элемента предоставляется имя, атомный символ, атомный номер и атомная масса. Атомный номер — это целое число, которое представляет количество протонов: каждый химический элемент отличается количеством протонов в его ядре. Например, в ядре каждого атома элемента кислорода есть восемь протонов. Вот почему атомный номер кислорода равен 8. Если в ядре атома больше или меньше восьми протонов, это не кислород, это какой-то другой химический элемент.В периодической таблице атомный номер каждого элемента указан над химическим символом элемента.

Атомная масса, которая представляет собой среднюю массу различных изотопов, оценивается с точностью до двух десятичных знаков. Например, водород имеет атомный символ H, атомный номер 1 и атомную массу 1,01. Атомная масса всегда больше атомного номера. Для большинства мелких элементов атомная масса примерно в два раза больше атомного номера, так как количество протонов и нейтронов примерно равно.

Элементы делятся на три категории: металлы, неметаллы и металлоиды. Они образуют диагональную линию от периода два, группа тринадцать, до периода седьмого, группы шестнадцатого. Все элементы слева от металлоидов — металлы, а все элементы справа — неметаллы.

Периодическая таблица Менделеева была создана, чтобы помочь химикам лучше понять элементы и их функции. Это карта поведения элементалей.

Изотопы

Каждый атом определенного элемента должен иметь одинаковое количество протонов в ядре.Этот номер является его атомным номером. Однако существует диапазон возможных количеств нейтронов, которые он может иметь в своем ядре. Тот факт, что атомы химического элемента могут иметь разное количество нейтронов, приводит к тому, что каждый химический элемент имеет несколько изотопов. Изотопы — это атомы данного химического элемента, которые имеют разное количество нейтронов в своих ядрах.

Например, в то время как все атомы элемента кислорода имеют восемь протонов в своих ядрах, эти атомы кислорода могут иметь восемь, девять или десять нейтронов.Различное количество нейтронов в ядре отличает три изотопа кислорода. Кислород-16 — изотоп кислорода с 8 нейтронами в ядре. Число 16 называется атомным массовым числом. Атомное массовое число — это общее количество протонов и нейтронов в ядре изотопа. Из этого определения и зная, что все атомы кислорода имеют 8 протонов в ядре, вы можете сделать вывод, что кислород-17 является изотопом кислорода с 9 нейтронами, а кислород-18 — изотопом кислорода с 10 нейтронами.Сокращенно обозначенные символами, три изотопа кислорода записываются как ¹⁶ O, ¹⁷ O и ¹⁸ O.

Изотопы не очень важны для понимания минералов, но важны для понимания того, как применять химию и ядерную физику к геологии, например, как использовать измерения радиоактивных изотопов для измерения возраста горных пород и минералов и как использовать изотопы кислорода из слоев ледникового льда, чтобы определить, какой была температура земли во время ледникового периода.

Внесите свой вклад!

У вас была идея улучшить этот контент? Нам очень понравится ваш вклад.

Улучшить эту страницуПодробнее

Строительные блоки взаимодействия — организация взаимодействия

В Участие общественности в демократии 21 века , всеобъемлющий текст по теории, науке и практике участия общественности в демократическом принятии решений и решении проблем, Тина Набатчи и Мэтт Лейнингер предлагают простую схему для классификации целей и задач различных стратегий взаимодействия.Модель Building Blocks of Engagement описывает шесть общих форм образовательного взаимодействия, которые при совместной работе могут создать основу для эффективной системы вовлечения и участия учеников, семьи и сообщества.

«Потенциал участия общественности в образовании может быть больше, чем по любому другому вопросу. Школьная система — это большое институциональное присутствие почти в каждом сообществе, и образование часто привлекает больше внимания, приверженности и беспокойства, чем любая другая общественная проблема….Мы знаем, что участие в образовании может принести самые разные выгоды — от более качественного определения школьной политики до успехов отдельных учащихся. Однако, несмотря на то, что большинство школьных систем поддерживают широкий спектр направлений и сфер взаимодействия, неадекватность этой инфраструктуры — и используемых в ней процессов — не позволяет большинству сообществ использовать потенциал участия общественности в образовании ».

Тина Набатчи и Мэтт Лейнингер, Участие общественности в демократии 21 века

Набатчи и Лейнингер пишут, что «образование является основополагающим для участия и демократии по одной простой причине: люди заботятся о детях.То, как мы обучаем молодых людей, является предметом глубокой надежды и беспокойства для многих из нас, независимо от того, являемся ли мы сами родителями ». В Участие общественности в демократии 21 века авторы предлагают несколько дополнительных причин того, почему участие в образовании, в частности, играет центральную роль в функционировании современных демократических систем:

• «Мы смотрим на наши системы образования как на тренировочную площадку для будущих граждан, дающую учащимся навыки, знания и опыт, необходимые им для того, чтобы стать членами демократии.»
• « Создание среды, в которой их дети могут развиваться, является чрезвычайно убедительным стимулом для родителей. Для многих людей это основная мотивация, втягивающая их в общественную жизнь, — выход или даже предварительное условие для их участия в решении других вопросов ».
• «Как физическое пространство, школы могут быть естественными центрами сообщества; иногда их используют для общественных собраний и других собраний ».
• «Во многих местах школьная система является крупнейшим работодателем и представляет собой самую большую часть налоговых поступлений; Решение о школьном бюджете может быть самой важной проблемой государственных финансов, с которой сталкивается сообщество.
• «Помимо того, что молодые люди являются лидерами завтрашнего дня, они могут быть эффективными лидерами сегодня — студенты могут участвовать не только в улучшении своего образования, но и в других аспектах общественной жизни».

Один из организационных принципов модели «Строительные блоки взаимодействия» состоит в том, что разные формы взаимодействия лучше подходят для одних целей, чем для других, и что местные лидеры должны понимать сильные и слабые стороны каждого «строительного блока», чтобы они могли использовать правильный подход к конкретной проблеме или цели.

В своем введении к «Основам взаимодействия» Тина Набатчи и Мэтт Лейнингер выделяют три важных момента:

1. «Каждый из шести строительных блоков необходим, по крайней мере до некоторой степени, в любой успешной инфраструктуре участия. На первый взгляд это может показаться ошеломляющим. Однако многие настройки и инструменты для этих мероприятий уже существуют, по крайней мере, до некоторой степени, в каждом школьном округе ».
2. «Некоторые из этих условий, такие как родительские группы и школьные советы, являются центральными и разносторонними — они потенциально могут сыграть жизненно важную роль во всех шести мероприятиях… Но для большинства родителей, школьных чиновников и других руководителей, отвечающих за них В существующих условиях более эффективная поддержка участия потребует изменений, иногда значительных, в том, как они действуют и как они думают о вовлечении.»
3. « Значимая и устойчивая инфраструктура для участия в образовании не может быть построена в одночасье. Это требует времени, стратегии, усилий и поддержки — не только со стороны преподавателей, родителей и студентов, но и со стороны многих других людей и организаций в сообществе, которые заинтересованы в успехе молодых людей (другими словами, все).»

Шесть строительных блоков взаимодействия:

Хотя «вовлечение» обычно рассматривается как двусторонний процесс, и многие специалисты по взаимодействию предостерегают от «односторонних» форм коммуникации, распространение информации является важным компонентом любой эффективной стратегии вовлечения ученика, семьи и сообщества.Проблемы с односторонними формами коммуникации обычно возникают, когда местные лидеры в значительной степени или полностью полагаются на одностороннюю коммуникацию или когда они считают, что простая передача информации квалифицируется как «взаимодействие» (и тем самым освобождает их от необходимости делать что-либо еще).

Хотя взаимодействие следует понимать как двусторонний процесс, важно признать, что одностороннее общение играет важную роль в создании условий для эффективного двустороннего взаимодействия.Например, необходимо продвигать возможности взаимодействия, иначе люди не появятся, а родители должны знать, что происходит в школе их ребенка, иначе они не смогут принимать осознанные решения, отвечающие наилучшим интересам их детей.

Говоря более фундаментально, для правильных решений требуется хорошая информация — информация, которая является фактической, точной, информативной и максимально объективной, — а неправильные решения часто являются результатом неправильного понимания или дезинформации. Например, было бы невозможно вести продуктивную публичную беседу о предлагаемом школьном бюджете, если община совершенно не информирована о том, что на самом деле заложено в бюджет.Важно отметить, что, когда округа и школы общаются часто и прозрачно, это имеет тенденцию уменьшать беспокойство, напряженность и споры, которые часто делают другие формы взаимодействия более сложными или более острыми.

Исторически средства массовой информации были основным средством информирования общественности о своих местных школах, но Набатчи и Лейнингер отмечают, что Интернет и другие коммуникационные технологии значительно улучшили способность руководителей школ напрямую общаться со своими учениками, семьями и заинтересованными сторонами.Примеры таких технологий включают не только школьные веб-сайты, социальные сети или информационные бюллетени по электронной почте, но и онлайн-«информационные панели», которые представляют школьные данные в простых для понимания форматах, информационные системы для учащихся, которые позволяют родителям получать доступ к новейшим мгновенная информация об успеваемости ребенка или системы обмена сообщениями, которые отправляют новости и уведомления родителям и семьям с помощью мобильных текстовых сообщений или аудиозаписей.

2.

Если целью распространения информации является информирование учащихся, семей и членов сообщества об их округе или школе, то сбор данных, отзывов и других данных помогает руководству округа и школы оставаться в курсе своих учеников, семей и членов сообщества. .Такие стратегии, как опросы, опросы и фокус-группы, исторически использовались для оценки общественного мнения и информирования о политических, правительственных или образовательных решениях, и многие округа и школы регулярно используют эти стратегии, особенно опросы, для оценки мнения учащихся, членов семьи и персонала. по множеству вопросов, таких как школьная культура или обучение в классе.

Как и распространение информации, сбор данных часто является односторонним процессом, и могут возникнуть проблемы, когда руководители округа, школы или сообщества спрашивают у людей их время и мнение, но затем не могут сообщить сообществу результаты сбора данных. процесс сбора или как он повлиял на принятие решения.Когда сбор данных не сопровождается такой обратной связью, учащиеся, семьи и сообщества с большей вероятностью будут рассматривать опросы или фокус-группы как пустую трату времени, а также, вероятно, будут разочарованы или рассержены, если сочтут, что их опасения были нарушены. не слышали и не действовали.

Однако процессы сбора данных могут быть очень эффективным компонентом всеобъемлющей стратегии или системы взаимодействия. Например, местные лидеры могут использовать результаты опросов, опросов, фокус-групп и другие формы данных, такие как демографические или социально-экономические данные, чтобы определить, чем обеспокоены или увлечены члены сообщества, или где существуют неотложные проблемы в регионе. школьная система или сообщество.

Результаты процесса сбора и анализа данных могут затем использоваться для информирования о дизайне и целях процесса взаимодействия. Например, исследование школьной культуры может выявить системные проблемы, которые затем могут стать темами для серии диалогов, направленных на выработку решений в партнерстве со студентами, семьями и сотрудниками.

В дополнение к более традиционным формам сбора данных, Набатчи и Лейнингер отмечают, что новые технологии теперь предлагают более творческие и интерактивные способы сбора входных данных, отзывов и других данных.Разнообразные недорогие и легкодоступные онлайн- и мобильные приложения позволяют местным лидерам собирать информацию и идеи, например, позволяя членам сообщества голосовать и оценивать различные предложения или отправлять фотографии физических проблем со школьными объектами, чтобы их можно было исправить. .

Набатчи и Лейнингер пишут, что «социальные аспекты участия часто упускаются из виду, но они имеют решающее значение для установления таких отношений, которые необходимы сообществам для повышения качества образования.«Хотя они не часто считаются формами« взаимодействия », неформальные взаимодействия могут давать те же результаты, которых часто добиваются местные лидеры, применяющие стратегии намеренного взаимодействия — например, формируются доверительные отношения, укрепляется межкультурное понимание и т. Д. По этой причине округам, школам и сообществам следует рассматривать общественные места, общественные мероприятия и другие личные или онлайн-форумы как важные компоненты комплексной стратегии взаимодействия с учащимися, семьей и обществом.

Когда члены сообщества регулярно общаются и взаимодействуют, особенно несмотря на культурные различия, это создает среду, в которой люди могут быть более склонны и мотивированы участвовать в запланированных мероприятиях. Кроме того, важно, чтобы взаимодействие не рассматривалось исключительно как «работа», т. Е. Что-то, что является сложной задачей, требует много времени и должно приводить к определенному результату.

Поскольку общение, празднование или прием пищи являются мощными мотиваторами, местные лидеры могут также расширить участие сообщества, сочетая формальные и неформальные стратегии взаимодействия и более целенаправленно участвуя в неформальной обстановке.Например, школьные руководители могут обучать персонал использовать эффективные стратегии приветствия с родителями и семьями, общественные группы могут быть приглашены использовать школьные помещения по вечерам или в выходные дни, или социальные мероприятия могут быть изменены, чтобы включить возможности для межкультурного диалога и построения отношений .

→ Соответствующее обсуждение см. В разделе «Принцип организации, участия и справедливости»

По словам Набатчи и Лейнингера: «Люди хотят выбора, и выбор, который их больше всего волнует, как правило, оказывает наибольшее влияние на их жизнь или жизнь их детей.Когда учащиеся и родители имеют возможность сделать этот выбор при участии и руководстве преподавателей, используя информацию, которой они доверяют, они берут на себя большую ответственность за другие аспекты системы образования. Это также может помочь им сделать лучший и мудрый выбор, что, в свою очередь, может оказать положительное влияние на школы и школьные системы ».

Когда учащимся, родителям и членам семьи предоставляется возможность более активно участвовать в принятии решений об обучении и обучении, например, это может улучшить академическую мотивацию, прогресс и стремления учащихся, а также помочь родителям и учителям воспринимать друг друга как партнеры в воспитании детей.Примеры участия учеников и их семей в принятии решений включают конференции под руководством учеников, группы родителей и учителей и другие партнерские отношения, практики или проекты, которые дают отдельным ученикам или членам семьи руководящие роли или роли в принятии решений в образовательном процессе.

Nabatchi и Leighninger пишут, что «инфраструктура для участия в школьной системе была бы неадекватной, если бы она не помогала округу принимать важные политические решения и разрабатывать долгосрочные стратегические планы.Поскольку они, вероятно, являются наиболее заметными и важными примерами участия, возможности принимать общественные решения в отношении образования имеют важное значение для легитимности участия в целом ».

Когда учащимся, семьям и членам сообщества дается возможность участвовать в управлении школой или в важном процессе принятия решений, эти возможности часто вызывают больший уровень доверия к руководству школы и усиление поддержки школьной политики, предложений или бюджета.Поскольку члены сообщества часто хотят внести положительный вклад в развитие своих школ и сообщества, создание возможностей для руководства и принятия решений для заинтересованных сторон может вызвать чувство мотивации, расширения прав и возможностей и сопричастности, которые имеют решающее значение для успешного взаимодействия.

В последние годы политическая поляризация и другие факторы усилили враждебность по отношению к руководителям школ и напряженность в обществе по поводу местных расходов на образование, что разрушило исторически прочные отношения между государственными школами и их сообществом.Как отмечают Набатчи и Лейнингер, принятие решений с участием сообщества может помочь узаконить школьные решения и тем самым снизить напряженность между школой и сообществом или активизировать общественную поддержку, финансовую и прочую, для государственных школ.

Когда семьи и члены сообщества не участвуют в решениях, которые влияют на них или их детей, они с большей вероятностью будут скептически относиться к ним, разочароваться или рассердиться, но когда они вовлечены, в малой или большой степени, они с большей вероятностью будут чувствовать, что их опасения были учтены (или, по крайней мере, учтены), и они с большей вероятностью будут испытывать чувство сопричастности или гордости за результат.Примеры участия сообщества в принятии решений включают консультативные комитеты учащихся, членов семьи или сообщества, составление бюджета с участием общественности, стратегическое планирование с участием сообщества, участие учащихся в принятии решений о найме администраторов и другие стратегии, которые включают участие сообщества в формальную структуру управления школой или краткосрочный процесс управления.

В модели «Building Blocks of Engagement» общественная работа определяется как деятельность, в которой учащиеся, семьи и члены сообщества «тратят время, энергию и пот равным образом, чтобы улучшить качество образования.«Хотя акты общественной работы могут не предоставлять возможности принятия решений членам сообщества, они, тем не менее, могут давать аналогичные положительные результаты, включая большую мотивацию для участия в школьных мероприятиях, повышение доверия к школьным руководителям или административным решениям, а также большую поддержку школьных программ или бюджеты.

Родительские волонтерские программы и кампании по сбору средств, возможно, являются наиболее традиционными и привычными возможностями для общественной работы в сфере образования, но общественная работа может принимать самые разные формы, включая обучение на уровне общины или проекты обучения служению, в которых молодежь может заработать академические баллы, , например, узнать о важной проблеме сообщества, разработать предложение по ее решению и стать волонтером в организации, активно работающей над решением проблемы.Общественная работа может также принимать форму волонтерской работы преподавателей для общественных организаций, участия в советах местных некоммерческих организаций или координации общественных программ и кампаний.

В документе «Участие общественности в демократии 21-го века» , Тина Набатчи и Мэтт Лейнингер обсуждают некоторые особенности системного уровня, которые школьные администраторы, члены школьных советов, государственные должностные лица, директора программ и другие местные лидеры должны учитывать при развитии всестороннего обучения учащихся. , стратегия взаимодействия с семьей и общественностью:

1.

Педагог, молодежь, семья и общественные лидеры обычно нуждаются в обучении стратегиям и методам эффективного взаимодействия, будь то стратегии организации инклюзивных и приветливых мероприятий, содействия общественным обсуждениям или понимания и учета культурных различий.

2.

Nabatchi и Leighninger утверждают, что «людям нужны навыки, но им также нужны стимулы.По большей части педагоги не получают вознаграждения за хорошее участие в общественной жизни; то, как учителя взаимодействуют с родителями или как администраторы взаимодействуют с общественностью, редко напрямую включается в рубрики для расчета повышения заработной платы, продвижения по службе или других способов профессионального продвижения ».

Кроме того, участие учащихся, членов семьи и сообщества редко является явной частью должностных инструкций преподавателя, а процессы найма администраторов, учителей и другого персонала редко включают оценку опыта взаимодействия, навыков или полномочий.Любой эффективный общесистемный подход к взаимодействию должен включать как профессиональные стимулы, так и формальные ожидания вовлеченности, связанные с работой. Набатчи и Лейнингер также отмечают, что «неденежные стимулы, такие как признание, награды, формы власти и легитимности, также могут быть эффективными».

3.

Если участие не встроено в политику и процедуры округа или школы, вряд ли оно станет приоритетом в загруженных школьных системах, которые ежедневно жонглируют многочисленными важными приоритетами.Поскольку преподаватели регулярно сталкиваются с неотложными потребностями в их времени и внимании, их легко отвести в сторону от этих требований или отнести к категории «необязательных». Хотя участие может дать немедленные и видимые результаты, для реализации многих из наиболее важных результатов взаимодействия могут потребоваться месяцы или годы — например, восстановление доверия в сообществе, которое считает, что школьная система их подвела.

По этим причинам, как предполагают Набатчи и Лейнингер, взаимодействие наиболее эффективно, когда оно встроено в каждую часть системы и когда политики и процедуры требуют, чтобы члены совета директоров, администраторы, учителя и сотрудники включали участие в повседневную работу. работа района или школы.

4.

Nabatchi и Leighninger пишут, что «чтение длинного списка потенциальных мероприятий по участию может вызвать шок от наклеек» для школьных администраторов, членов правления, директоров программ и других лиц, ответственных за распределение ограниченного финансирования. «Некоторые могут возразить, что даже если родители и другие лидеры сообщества вмешаются, финансовые затраты школы на поддержание такого широкого спектра возможностей участия будут непомерно высокими», — продолжают авторы.«Однако другие могут возразить, что участие является ключом к поддержанию или увеличению пула финансовых ресурсов, доступных школьным округам, потому что ресурсы будут поступать (или нет) от участвующих родителей или членов сообщества».

Nabatchi и Leighninger делают в ответ два момента: (а) во время финансового дефицита или кризиса должности по связям и взаимодействию часто сокращаются в первую очередь, и тем не менее именно эти должности помогают школам выдерживать финансовый кризис, и (б) что затраты на усиление взаимодействия не должны быть чрезмерными или неконтролируемыми, особенно когда взаимодействие включено в существующие программы, мероприятия и профессиональные роли.

Благодарности

Organizing Engagement благодарит Мэтта Лайнингера за его вклад в улучшение этого введения и Public Agenda за разрешение переиздать изображение из «Укрепление и поддержание вовлеченности общественности в Вермонте: руководство по планированию для сообществ» .

Leighninger, M. (2017). Укрепление и поддержание участия общественности в Вермонте: руководство по планированию для сообществ . Вашингтон, округ Колумбия: общественная повестка дня

Набатчи Т.