Solucanlar, Yaylar ve Yumuşak Robotlar: Küçük Yaratıklar Dev Adımlara İlham Veriyor

Georgia Tech'teki araştırmacılar yakın zamanda etkileyici bir başarıyı ortaya çıkardı: 5 inç uzunluğunda, bacakları olmadan 10 fit havaya -bir basketbol potasının yüksekliğine- fırlatılabilen yumuşak bir robot. Tasarım, insan saçından daha ince olan ve vücut uzunluğunun birçok katı kadar zıplayabilen minik bir yuvarlak solucan olan mütevazı nematoddan esinlenmiştir. 

Solucan, vücudunu sıkı kıvrımlara sıkıştırarak elastik enerjiyi depolar ve sonra aniden serbest bırakarak akrobatik bir jimnastikçi gibi kendini gökyüzüne veya arkaya fırlatır. Mühendisler bu hareketi taklit ettiler. Onların "SoftJM" robotu esasen sert bir karbon fiber omurgaya sahip esnek bir silikon çubuktur. Nasıl büküldüğüne bağlı olarak, tekerlekleri veya bacakları olmasa bile ileri veya geri sıçrayabilir.

Eylemde, nematoddan esinlenen robot, çömelmiş bir insan gibi kıvrılıyor, sonra patlayıcı bir şekilde bükülüp zıplıyor. Yüksek hızlı bir kamera, solucanın başını nasıl yukarı doğru kıvırdığını ve geriye doğru zıplamak için vücudunun ortasından nasıl kıvrıldığını, sonra düzelip öne doğru zıplamak için kuyruğundan nasıl kıvrıldığını gösteriyor. 

Georgia Tech ekibi, bu sıkı kıvrımların - normalde hortumlarda veya kablolarda bir sorun - aslında solucanın ve robotun çok daha fazla enerji depolamasına izin verdiğini buldu. Bir araştırmacının belirttiği gibi, bükülmüş pipetler veya hortumlar işe yaramaz, ancak bükülmüş bir solucan yüklü bir yay gibi davranır. Laboratuvarda, yumuşak robot çoğaltılamaz Bu numarayı kullanır: karnını veya kuyruğunu "sıkıştırır", gerilir ve sonra bir anda (yaklaşık bir milisaniyenin onda biri kadar bir sürede) serbest bırakarak havaya yükselir.

Yumuşak Robotlar Yükselişte

Yumuşak robotik, doğadan ipuçları alan genç ama hızla büyüyen bir alandır. Sert metal makinelerden farklı olarak, yumuşak robotlar çevrelerine sıkışabilen, esneyebilen ve uyum sağlayabilen esnek malzemelerden yapılır. Alandaki ilk kilometre taşları şunları içerir: Harvard'ın Octobot'u – ahtapot kaslarından esinlenerek, tamamen silikon ve sıvı kanallarından yapılmış, sert parçaları olmayan otonom bir robot. O zamandan beri, mühendisler yumuşak makinelerden oluşan bir hayvanat bahçesi inşa ettiler: solucan benzeri sürüngenlerden ve jelleşmiş kavrayıcılardan giyilebilir "ekzo-giysilere" ve yuvarlanan asma benzeri robotlara. 

Örneğin, Yale araştırmacıları bacakları yüzüyor veya yürüyor olmasına bağlı olarak yumuşak paletler ve sert "kara bacakları" arasında geçiş yapan kaplumbağadan esinlenen yumuşak bir robot yarattılar. UCSB'de bilim insanları, yalnızca ışığa duyarlı "deri" kullanarak ışığa doğru büyüyen asma benzeri bir robot yaptılar - kelimenin tam anlamıyla bitki sapı gibi dar alanlardan kendini uzatıyor. Bunlar ve diğer biyolojik olarak esinlenen yenilikler, yumuşak malzemelerin nasıl yeni hareket biçimleri yaratabileceğini gösteriyor.

Genel olarak, destekçiler yumuşak robotların geleneksel robotların gidemeyeceği yerlere gidebileceğini söylüyor. ABD Ulusal Bilim Vakfı notları uyarlanabilir yumuşak makinelerin “geleneksel robotların daha önce ulaşamadığı alanları” keşfettiği – hatta insan vücudunun içinde bile. Bazı yumuşak robotların, nesnelere uyum sağlamak veya nesneleri kavramak için sertlik veya renk değiştiren programlanabilir “derileri” vardır. Mühendisler ayrıca şunları da araştırıyor: origami/kirigami teknikleri, şekil hafızalı polimerler ve diğer numaralar bu robotların anında yeniden yapılandırılabilmesini sağlıyor.

Esnek Hareket Mühendisliği

Yumuşak bir robotu bir hayvan gibi hareket ettirmek büyük zorluklarla gelir. Sert eklemler veya motorlar olmadan, tasarımcılar malzeme özelliklerine ve akıllı geometriye güvenmek zorundadır. Örneğin, Georgia Tech'in jumper'ı yaylı hareketi yeterince güçlü kılmak için kauçuk gövdesinin içine bir karbon fiber omurga eklemek zorundaydı. Sensörleri ve kontrol sistemlerini entegre etmek de zordur. Penn State mühendisleri şunu belirtiyor:Geleneksel elektronik cihazlar serttir ve yumuşak bir robotu bile yerinde dondurur.

Küçük sürünen kurtarma robotlarını "akıllı" yapmak için, esnek devreleri gövde boyunca dikkatlice yaymaları gerekiyordu, böylece hala bükülebilirdi. Enerji kaynakları bulmak bile daha zordur: Bazı yumuşak robotlar, ağır bir pil taşımak onları aşağı çekeceği için harici manyetik alanlar veya basınçlı hava kullanır.

Georgia Tech'in iplik kurtlarından esinlenen yumuşak robotları (Fotoğraf: Candler Hobbs)

Bir diğer engel de doğru fiziği kullanmaktır. İplik kurdu robot ekibi, kıvrımların aslında yardımcı olduğunu öğrendi. Normal bir kauçuk tüpte, bir kıvrım akışı hızla durdurur; ancak yumuşak bir solucanda iç basıncı yavaşça oluşturur ve serbest bırakılmadan önce çok daha fazla bükülmeye izin verir. Simülasyonlar ve hatta su dolu balon modelleri üzerinde deneyler yaparak araştırmacılar, esnek vücutlarının büküldüğünde çok fazla elastik enerji tutabildiğini ve ardından bunu tek bir hızlı sıçramada serbest bırakabildiğini gösterdiler. Sonuç dikkat çekici: robot, sadece omurgasını esneterek, hareketsiz haldeyken tekrar tekrar 10 fit yükseğe zıplayabiliyor. Bu çığır açan buluşlar - mağaza ve serbest Kauçuk malzemelerdeki enerji – yumuşak robotik mühendisliğinin tipik özelliğidir.

Gerçek Dünya Zıplayanları ve Yardımcıları

Tüm bu yumuşak robotlar ne işe yarıyor? Prensip olarak, katı makineler için çok tehlikeli veya zor durumlarla başa çıkabilirler. Örneğin, felaket bölgelerinde, yumuşak robotlar hayatta kalanları bulmak için molozların altından veya çökmüş binaların içine doğru kıvrılabilir. Penn State, sıkışık molozlarda gezinebilen veya hatta kan damarı büyüklüğündeki kanallardan geçebilen manyetik olarak kontrol edilen bir yumuşak paletli prototip gösterdi.

Tıpta, mikroskobik yumuşak robotlar ilaçları doğrudan vücuda iletebilir. Bir MIT çalışmasında, atardamarlarda yüzen ve pıhtıları temizleyen, potansiyel olarak açık ameliyat olmadan felçleri tedavi eden incecik bir yumuşak robot öngörülmüştü. Harvard bilim insanları da yumuşak giyilebilir dış iskeletler üzerinde çalışıyorlar - ALS hastalarının omuzlarını kaldırmalarına yardımcı olan ve hareket aralıklarını anında iyileştiren hafif şişirilebilir bir kılıf.

Uzay ajansları da yumuşak sıçrayıcılara göz dikti. Tekerlekler kum veya kayalara takılabilir, ancak zıplayan bir robot kraterlerin ve kumulların üzerinden atlayabilir. NASA, Ay ve buzlu aylar için yeni sıçrayıcılar bile hayal ediyor. Bir konseptte, futbol topu büyüklüğünde bir robot SERÇE Europa veya Enceladus'ta birçok mil zıplamak için buhar jetleri (kaynatılmış buzdan) kullanırdı. Bu uyduların düşük yer çekiminde, küçük bir sıçrama çok uzun bir yol kat eder - bilim insanları bir robotun Dünya'da bir metrelik sıçramasının onu Enceladus'ta yüz metre taşıyabileceğini belirtiyorlar. Fikir, bu zıplayanlardan düzinelercesinin tekerlekli gezginlerin duracağı yabancı arazilerde "seyahat etmek için tam bir özgürlükle" uçabilmesidir. Dünya'ya geri döndüğümüzde, gelecekteki yumuşak zıplayanlar, geleneksel robotları durduracak nehirlerin, çamurun veya dengesiz zeminin üzerinden atlayarak arama ve kurtarma görevlerinde yardımcı olabilir.

Yumuşak robotlar endüstri ve tarımda da iş buluyor. NSF, bir insan yolda olduğunda uyum sağladıkları için fabrika zeminlerinde veya çiftliklerde güvenli yardımcılar olabileceklerini belirtiyor. Araştırmacılar, hassas meyveleri zedelemeden nazikçe toplayan yumuşak tutucular bile ürettiler. Yumuşak makinelerin esnekliği, sert cihazlar için çok küçük veya esnek yerlerde hareket edebilecekleri anlamına geliyor.

Sonuç olarak, uzmanlar yumuşak robotiğin birçok alanı temelden değiştireceğine inanıyor. Solucanlardan giyilebilir kıyafetlere ve ay zıplayıcılarına kadar, bu araştırma dizisi minik yaratıkları incelemenin teknolojide nasıl büyük sıçramalara yol açabileceğini gösteriyor.