Competencia Desafios de la Ingenieria
Equipo 16 Desafíos de la Ingeniería 2015
Ideas de Diseño:
IDEAS son las soluciones que se nos puedan ocurrir frente a una necesidad y/o oportunidad determinada. Las opciones que tenemos para resolver un determinado problema.
Fuente: web.ing.puc.cl
1. La actina y la miosina son proteínas fundamentales en el proceso de la contracción muscular. Actúan en conjunto para acortar las bandas de los sarcómeros, que son la unidad básica funcional y anatómica del músculo estriado. Este proceso comprende el movimiento muscular en general, pero la sincronización entre lo que ocurre a nivel microscópico y cómo reacciona el músculo efector causa complicaciones en los alumnos, por no poder visualizar todo al mismo tiempo.
Se podría construir un dispositivo que contenga ambos procesos, que muestre el giro del complejo actina-miosina, accionado por una manivela, que accione el movimiento de los sarcómeros y muestre cómo esa contracción genera el movimiento del músculo, que estaría conectado mediante engranajes al resto del sistema.
Análisis crítico:
La contracción muscular es un tópico complicado de entender por parte de los alumnos. Una maqueta o dispositivo como éste ayudaría de gran manera en el aprendizaje del tema.
En contra de esta idea, se encontraría la escasa relación que tiene la contracción muscular con el sistema nervioso. Si bien están relacionados, este dispositivo no ayudaría tanto a los alumnos a estudiar este sistema, que es una de las zonas en que encontramos oportunidades. Ahora bien, la maqueta sería mucho mejor si aparte de eso pudiéramos mostrar cómo se transmite el impulso nervioso en el músculo estriado, que también es materia de media, y que a pesar de tener varias similitudes con la sinapsis química por definición, hay muchos conceptos y nombres que van asociados a este proceso en particular, que podrían ser mencionados en el producto.
2. La sinapsis es la unión intercelular de neuronas que transmite el impulso nervioso a través del cuerpo, hasta una neurona eferente y un órgano efector que llevará a cabo los movimientos y pensamientos que realizamos miles de veces diariamente. A pesar de que es comúnmente sabido que el uso indiscriminado de drogas y diferentes tipos de psicotrópicos generan efectos tanto depresores como híper estimulantes al sistema nervioso (depende de la droga en cuestión), sería útil comprender cómo actúa cada droga en particular al momento de bloquear la captación de los neurotransmisores que viajan hacia los receptores específicos de la neurona postsináptica para continuar la transmisión del impulso.
Se podría manufacturar un dispositivo que muestre un botón terminal de una neurona pre sináptica con neurotransmisores dentro de ella (que pueden ser algún líquido), un espacio sináptico y una dendrita de la neurona post sináptica que contenga receptores que enciendan una luz al contacto con los neurotransmisores que se liberarían al levantar una compuerta, indicando que ha ocurrido la sinapsis. Se podría entonces entender el efecto de drogas como la marihuana por ejemplo al añadir bloques por encima de los receptores post sinápticos que impidan el contacto de los neurotransmisores con los receptores, que es justamente el efecto de la marihuana. Así, se pueden agregar otras drogas explicando cuál es su intervención en el proceso de la liberación, recepción y recaptura de los neurotransmisores que sería el proceso sináptico normal.
Análisis crítico:
El consumo de drogas, ya sea alcohol, cigarrillos, marihuana, etcétera, se ha convertido en un tema de actualidad y realidad nacional, que cada vez va tomando mayor peso en la sociedad. Por lo mismo, el objetivo de esta idea es de doble propósito, por una parte, explicar el proceso biológico que conlleva el consumo de drogas (y claramente sus consecuencias dentro de la sinapsis) y por otra parte crear conciencia en la juventud con respecto a este tema, ya que es el grupo social más influenciable y afectado con esto.
Nos parece una idea no tan compleja en su realización, puesto que puede ser construida con lo aprendido en talleres de Arduino y PCB, y al mismo tiempo muy efectiva y capaz de causar un gran impacto dentro de usuario, como ya mencionamos, no sólo en el ámbito del aprendizaje. Sin embargo, existe una cierta dificultad en relación a que existen muchos tipos de drogas con efectos variados, por lo que, o no mostraría todas las drogas o aumentaría considerablemente la dificultad de la construcción de este proyecto.
La elegimos por su notabilísima función social y por todos los otros pros nombrados anteriormente.
Ésta fue nuestra idea elegida (la 2)
3. Los ojos se conectan con el cerebro mediante dos nervios ópticos que transmiten el estímulo hasta el cerebro que lo transforma en una imagen. La parte complicada de este proceso es que el ojo en sí también se divide en dos visiones; la periférica y la nasal, pero no están ambas regidas por el mismo nervio, más aún, la visión periférica de cada ojo está relacionada con el nervio del lado correspondiente, pero la visión nasal está regulada por el lado contrario, ya que los nervios se cruzan en un quiasma óptico antes de llegar al cerebro.
Se podría hacer una maqueta de dos ojos que estén conectados al cerebro, con 4 interruptores distintos, uno para cada una de las dos partes de cada nervio óptico, que enciendan una luz en la visión del ojo específico al que regulan, para entender a cabalidad la relación de los nervios y las visiones que siempre resultan ser confusas.
Análisis crítico:
A pesar e que está relacionado con algo tan importante como es la vista, nos parece que podría considerarse una idea no tan útil, al momento de crear un dispositivo distinto e innovador que facilite su entendimiento, especialmente porque hay muchos otros conceptos más complejos de entender que el papel del sistema nervioso en la visión. Además, la maqueta es de utilidad discutible en cuanto no ayudaría (según lo que nos dijeron los mismos alumnos) mucho más que una simple imagen o animación digitalizada.
No obstante, resulta tentadora la construcción de esta maqueta en cuanto a que puede ser fácilmente fabricada con un conocimiento básico de Arduino y/o PCB, combinado con un soporte fabricado con madera o con impresiones 3D el cual resultaría mucho más entretenido e interactivo.
4. El potencial generador de un estímulo como por ejemplo, la presión que se ejerce sobre nuestra piel, desde el punto en que no la sentimos hasta cuando nos provoca gran dolor, está regido por el umbral de excitación o límite de la “Ley del todo o nada”, que es una medida específica del estímulo en cuestión en el cual ocurre el potencial de acción, propagando el estímulo. De no alcanzar esta barrera, el estímulo no se propagará y no lo sentiremos. Según la deformación que sufra la membrana por la presión ejercida, aumentará la permeabilidad de los canales iónicos del axón. Así, la magnitud de la respuesta es proporcional a la magnitud del estímulo. Al despolarizarse la membrana se empieza a propagar el estímulo a través de la primera neurona y en cuestión de milisegundos observaremos una reacción en el sujeto.
Así, se podría crear un dispositivo con un brazo parecido al del producto descrito en el punto 1., que tenga a su lado la representación del gráfico del umbral de excitación, marcado por una línea horizontal indicando la barrera. Así, se podría incluir un interruptor con cierta sensibilidad que accione el músculo sólo cuando se haya alcanzado el potencial necesario, y que antes de ese punto se mantenga inerte.
Se podría incluir en esta idea específica el concepto de híper polarización de la membrana, cuando el cuerpo no está preparado para transmitir otro mensaje hasta que se recuperen los canales iónicos, que necesitan alcanzar sus gradientes originales.
Análisis crítico:
Discutiblemente la idea que más podría llegar a ayudar, ésta mostraría al mismo tiempo conceptos como arco reflejo, efector, receptor, etc. Además, quedó demostrado por nuestras encuestas y entrevistas, este es un tema que cuesta a los alumnos mucho pese a poder explicarse fácilmente, lo que lo hace un buen candidato a ser nuestro dispositivo.
Las únicas dificultades en la construcción de esta idea son el avanzado conocimiento de Arduino que debe tenerse para ilustrar todas las reacciones que ocurren (avanzado comparado con otras ideas que tuvimos).
5. Todas las funciones del cuerpo como sensaciones, funciones motoras, entre otras, son controladas en lóbulos específicos del cerebro. No todas las funciones del cerebro son controladas en el mismo lugar.
Una solución sería crear un dispositivo que ayude a aprender las zonas del cerebro de manera más didáctica e interactiva, y las funciones específicas que controlan, haciendo un maniquí de gel o goma, con una plataforma al lado con el nombre de las funciones del cuerpo con un botón al lado, que al presionarlo, haga que se prenda una luz en el cerebro en la zona en la que esa función específica es controlada.
Análisis crítico:
Este dispositivo ayudaría a los niños a aprender esta materia, que es de memoria, de manera más entretenida, bajando la posibilidad de que el niño se aburra estudiando el tema, que es uno de los grandes problemas de estudiar el cerebro. Además ayudaría directamente mucho para aprender estos conceptos a largo plazo y no sólo para la prueba que tienen al día siguiente. Cabe destacar también que las funciones del cerebro siempre han tenido mucha importancia y es objeto de investigación hasta el día de hoy.
6. La sinapsis consiste de 2 partes; la eléctrica y la química. Si bien la sinapsis eléctrica es relativamente fácil de aprender ya que sólo comprende un movimiento unidireccional de un estímulo mediante los cambios de gradientes de concentración de iones dentro y fuera de la neurona, la sinapsis química supone un proceso bastante más detallado y complejo. Esto porque desde que el impulso se transmite a través de la primera neurona sensitiva, pasando por la liberaciones de iones calcio y neurotransmisores desde los botones sinápticos hasta los receptores de la neurona eferente, existen demasiados conceptos y subprocesos asociados que dificultan la capacidad de deglutir la materia en poco tiempo y sin representaciones gráficas.
Se podría fabricar un dispositivo que muestre desde la recepción del estímulo hasta el músculo efector que lleva a cabo la reacción, accionando distintas/os manivelas, botones, engranajes, etc que logren llevar el impulso de principio a fin a través de la maqueta para esquematizar el proceso en su totalidad. Algo así como los trabajos de los japoneses de Pitagora Switch, (ver video: https://www.youtube.com/watch?v=K2C-PWHpPoI) pero con más interacción por parte de los alumnos, con el fin de no aprender pasivamente.
Análisis crítico:
Al haber tantos procesos dentro del mismo o “reacciones en cadena”, puede ser difícil crear un dispositivo físico que abarque todos ellos de manera completa, sin olvidar el hecho de que nuestro dispositivo tiene que cumplir con el requerimiento de ser transportable bajo cualquier situación, por lo mismo eso podría jugarnos en contra.
El hecho de que sea algo tan didáctico nos atrae mucho y nos da muchas posibilidades para trabajar, pero también puede dar cabida a que los alumnos lo vean solamente como un juego y no aprendan mucho de ello, viéndolo sólo como algo entretenido pero no educativo. Por lo que sería un gran reto lograr el equilibrio entre lo didáctico y educativo, para no perder el foco más importante el cual es enseñar.
7- El sistema nervioso autónomo es el principal responsable de los procesos involuntarios de nuestro cuerpo, actúa tanto para el medio interno de nuestro cuerpo regulando mucho de los procesos manteniendo un equilibrio en los distintos sistemas que conforman al humano como también es la responsable de los reflejos involuntarios que acontece en el cuerpo humano al recibir un estímulo en específico. un claro ejemplo de reflejo involuntario es el denominado rotuliano o también llamado patelar que básicamente es cuando al estimular el tendón rotuliano ubicado en la rodilla por medio de un pequeño golpe este automáticamente enviará un impulso nervioso hacia la médula espinal y esta es la que efectúa dicha respuesta y no el cerebro como muchos creen y envía por medio del nervio motor la señal produciendo la contracción del cuadricep femoral logrando así el estiramiento de la pierna.
El problema que tienen algunos estudiantes es que creen que el cerebro es el único responsable de las respuestas nerviosas que produce en el cuerpo y no es tan así, la médula juega un papel importante en la producción de respuestas nerviosas.
Para aclarar el concepto de respuestas voluntarias e involuntarias teníamos pensado hacer un sistema conformado por una pierna conectada a una columna y esta a la vez conectada a una cabeza y por medio de luces (que simbolizan el impulso nervioso), ver cómo se propaga el impulso hacia la columna y esta en respuesta crea otra luz de distinto color hacia la rodilla provocando el estiramiento. Lo que queremos lograr con esto es que los alumnos se den cuenta de que es la columna la que crea la respuesta al tipo de reflejos innatos que posee el cuerpo y no el cerebro .
Análisis crítico.
El poder ver como ocurren ciertos procesos siempre le van a dar un plus al momento de que el alumno tenga que entender materia nueva. Biología es una de las materias con más conceptos que se tienen que memorizar y en sistema nervioso no va a ser la excepción, esto tiende a confundir o a dificultar el aprendizaje por eso el elegir solo una parte de lo que abarca el sistema nervioso como lo es el sistema nervioso autónomo, logrará en el alumno menor estrés al momento de entender los distintos procesos en los que se involucra este sistema en especial.
No tiene puntos en contra ya que pareciera ser de fácil construcción a simple vista, pero tampoco tiene grandes puntos a favor, ya que la materia que busca explicar no es de difícil comprensión.
8 y 9- TRANSMISIÓN DE UN IMPULSO NERVIOSO EN LA NEURONA.
Tomando en cuenta que la transmisión de un impulso nervioso en una neurona y por lo tanto en el sistema nervioso y el cuerpo humano, es realizado por una serie de reacciones químicas en las cuales se ven envueltas reacciones en cadena, donde a través de distintos canales iónicos y bombas, hay transporte de los iones de Na y K, produciendo así la transmisión de un mensaje dado, como grupo hemos llegado a dos ideas para explicar este concepto de transmisión de impulsos nervioso como reacciones químicas:
Idea 8:
Crear un modelo explicativo de la neurona donde el impulso se vea reflejado a través de un sistema ideado por programación, donde como resultado de establecer un estímulo el alumno pueda visualizar claramente cómo a través de este gran modelo de neurona, se desplazan una serie de luces LED, las cuales cambian de color según las posiciones de los iones de K y Na, generando así una idea más clara de que es lo que sucede a nivel molecular en los estudiantes que ven esta materia.
Análisis crítico:
Las ventajas que se pueden percatar de esta idea es que permite la visualización del sistema a una velocidad más real y de una forma más ordenada a la comprensión, pero puede aun existir un problema, el cual iría relacionado con que no se establezca la correcta relación entre lo que simbolizan las luces LED y lo que trata de explicar, aún así la consideramos una idea a discutir. Sin embargo, por la gran dificultad que existe para entender los traspasos iónicos a travéz de las membranas para la propulsión del estimulo, encontramos que sería muy valioso para los alumnos disponer de un aparato como el descrito.
La mayor dificultad está en el proceso de escritura del programa de Arduino que controle todas estas luces que habría que poner.
Idea 9:
Al igual que la idea anterior el objetivo es crear un modelo que explique esta transmisión que resulta difícil de imaginar, como una serie de reacciones químicas que suceden a gran velocidad, en este caso no usando luces LEDno que aprovechando lo que es comúnmente denominado como el efecto dominó, y así a través de los conocimientos que tenemos y habilidades manuales desarrolladas crear un sistema que funcione mecánicamente (placas que giren sobre un eje, las cuales se mueven en un patrón al aplicar un estímulo dado), generando así una imagen visual de lo que resulta difícil de explicar con palabras e imágenes instantáneas por parte de profesores y difícil de comprender por los alumnos.
Análisis crítico:
Esta idea permite que el alumnado entienda de forma más clara como es el sistema que permite los transportes en los canales iónicos y como funciona el traspaso y las cadenas de reacciones en un impulso nervioso, pero tal vez con este modelo no se puede hacer notar la velocidad de las reacciones y las dimensiones de los traspasos en los canales iónicos. Esta idea es considerada una de las ideas importantes que se nos ocurrió como grupo. Es valiosa por la misma razón que la idea anterior, y no tiene la dificultad extra de escribir un programa que controle tantas luces. Sin embargo nadie podria afirmar que será fácil, puesto que el sistema mecánico puede ser tan difícil de idear que hasta el no contar con componentes electrónicos se vuelva una desventaja.
10.- El sistema nervioso periférico llega a todo el cuerpo y cuenta con una gran cantidad de nervios que lo constituyen. Imaginarse, o peor, aprenderse este sistema puede ser una tarea muy difícil para el estudiante.
Se podría hacer un cuerpo de goma, o gel, en el cual se vean y noten los nervios y todo el sistema nervioso en general, de manera que sea fácil e interactivo para el estudiante verlo. Los nervios principales podrían ir iluminados con un sistema de luces LED de diferentes colores dependiendo del nervio al que esté iluminando.
Análisis crítico:
Este muñeco podría ser de gran ayuda para los estudiantes de media que necesiten aprender aspectos más generales del sistema nervioso, es decir, su conformación. En pro de esta idea, el muñeco representaría de una manera super táctil y concreta la conformación del sistema nervioso y en especial los nervios más importantes. En contra, se podría nombrar la poca especificidad en lo que respecta a la materia en sí misma, ya que no explica un tema específico ni de gran dificultad. Además, por la gran cantidad de nervios que existen, o dejamos de ilustrar algunos en esta maqueta o deja de ser viable. Un punto a favor es que no pareciera ser de muy difícil construcción.