Solucanların, Baharların ve Yumuşak Robotların Hikayesi: Küçük Canlılar Dev İlerlemeler Sağlıyor

Georgia Tech’teki araştırmacılar yakın zamanda etkileyici bir başarıya imza attılar: 5 inç uzunluğunda bir yumuşak robot, bacakları olmadan 10 feet yüksekliğe zıplayabiliyor – bir basketbol potasının yüksekliği. Tasarım, insan saçımdan daha ince olan ve kendi boyundan çok daha yüksek zıplayabilen mütevazi nematodlardan esinlenmiştir.

Vücutlarını sıkı kıvrımlara sokarak, solucan esnek enerji depolar ve sonra aniden bunu serbest bırakır, böylece itselfi gökyüzüne veya geriye, bir akrobatik jimnastikçi gibi fırlatır. Mühendisler bu hareketi taklit ettiler. “SoftJM” robotu esasen esnek bir silikon çubuk ve bir karbon fiber omurgadan oluşur. Eğrilmesine bağlı olarak, ileriye veya geriye zıplayabilir – tekerleği veya bacağı yoktur.

Eylemde, nematodlardan esinlenen robot, bir insan squatta gibi kıvrılır, sonra patlayıcı olarak uzar ve zıplar. Yüksek hızda bir kamera, solucanın başını yukarı doğru eğip vücudunun ortasında kıvrıldığını ve geri zıplamak için kuyruğunu düzeltip kıvırdığını gösterir.

Georgia Tech ekibi, bu sıkı kıvrımların – normalde bir problem olan hortumlar veya kablolar – aslında solucan ve robotun çok daha fazla enerji depolamasına izin verdiğini keşfetti. Bir araştırmacıya göre, kıvrılmış çarşaf veya hortumlar işe yaramaz, ancak bir kıvrılmış solucan, yüklenmiş bir yay gibi davranır. Laboratuvarda, yumuşak robot bu numarayı tekrar etti: “orta veya kuyruk kısmını” sıkıştırır, gerilir ve sonra patlayıcı bir şekilde (yaklaşık olarak bir onda biri milisaniye) serbest bırakır ve havaya zıplar.

Yumuşak Robotlar Yükseliyor

Yumuşak robotik, doğadan ipuçları alan genç ancak hızla büyüyen bir alandır. Esnek malzemelerden yapılan yumuşak robotlar, sıkışabilir, uzatabilir ve çevrelerine uyum sağlayabilir. Alanındaki erken dönemeç noktaları arasında Harvard’ın Octobot‘u vardır – sıvı kanalları ve sıvı silikonla yapılan, hiçbir sert parçası olmayan, bir akıllı robot, ahtapot kaslarından esinlenmiştir. Bundan sonra, mühendisler bir dizi yumuşak makine inşa ettiler: solucan benzeri sürünenler ve jelleşmiş tutuculardan, giyilebilir “exo-suit”lere ve yuvarlak, asma benzeri robotlara kadar.

Örneğin, Yale araştırmacıları, bir kaplumbağadan esinlenen bir yumuşak robot yarattılar; bacakları, yüzdükleri zaman sarkık paletlere, yürürken katı “kara bacaklarına” dönüşebilir. UCSB’de bilim adamları, sadece ışık duyarlı “cilt” kullanarak ışığa doğru büyüyen, bir bitki gövdesi gibi dar alanlardan geçen bir asma benzeri robot yaptılar. Bu ve diğer biyo-iletişim yenilikleri, yumuşak malzemelerin yeni hareket modları oluşturabileceğini gösteriyor.

Genel olarak, destekçiler, yumuşak robotların geleneksel robotların gidemediği yerlere gidebileceğini söylüyor. A.B.D. Ulusal Bilim Vakfı, uyarlanabilir yumuşak makinelerin “geleneksel robotların ulaşamadığı alanları keşfettiğini” belirtiyor – hatta insan vücudunun içinde. Bazı yumuşak robotların programlanabilir “derileri” vardır; bunlar, nesneleri kavramak veya karışmak için sertlik veya renk değiştirebilir. Mühendisler ayrıca, bu robotların uçuşta yeniden yapılandırılabilmesi için origami/kirigami teknikleri, şekil belleği polimerleri ve diğer numaraları keşfediyorlar.

Esnek Hareket Mühendisliği

Bir yumuşak robotu bir hayvan gibi hareket ettirmek büyük zorluklar getirir. Sert eklem veya motor olmadan, tasarımcılar malzeme özelliklerine ve akıllı geometriye güvenmek zorundadır. Örneğin, Georgia Tech’in zıplayıcısı, güçlü bir yay hareketi için esnek gövdesinin içinde bir karbon fiber omurgaya sahip olmalıydı. Sensörleri ve kontrol sistemlerini entegre etmek de zordur. Penn State mühendislerine göre, geleneksel elektronikler serttir ve bir yumuşak robota hareket edemez.

Küçük, sürünen bir kurtarma robotunu “akıllı” yapmak için, esnek devreleri gövde boyunca dikkatlice yaymak zorundalar; böylece hala bükülebiliyor. Hatta enerji kaynakları bulmak daha zordur: bazı yumuşak robotlar, bir bataryayı taşımanın onları yavaşlatacağı için dış manyetik alanlar veya basınçlı hava kullanır.

Georgia Tech’ten nematodlardan esinlenen yumuşak robotlar (Foto: Candler Hobbs)

Bir başka engel, doğru fiziksel özellikleri kullanmaktır. Nematod-robot ekibi, kıvrımların aslında yardımcı olduğunu öğrendi. Normal bir lastik tüpteki bir kıvrım, akışı nhanh durdurur; ancak bir yumuşak solucanda, iç basınç yavaşça birikir, serbest bırakılmadan önce çok daha fazla bükülme sağlar. Simülasyonlar ve hatta su dolu balon modelleri ile deneysel olarak, araştırmacılar, esnek gövdenin çok fazla esnek enerji depolayabileceğini ve sonra hızlı bir zıplamayla serbest bırakabileceğini gösterdiler. Sonuç gerçekten etkileyici: dinlenme halinde, robot sadece omurgasını bükerek 10 feet yüksekliğe zıplayabiliyor. Bu tür atılımlar – yumuşak malzemelerde enerji depolama ve serbest bırakma yolları bulma – yumuşak robotik mühendisliğinin tipik özellikleridir.

Gerçek Dünya Zıplayıcıları ve Yardımcıları

Bu yumuşak robotlar ne için iyi? Teorik olarak, geleneksel makinelerin giremediği veya girmesinin tehlikeli olduğu durumlarla başa çıkabilirler. Örneğin, felaket bölgelerinde, yumuşak robotlar enkazın altına girebilir veya çökmüş binalara girebilir ve hayatta kalanları bulabilir. Penn State, manyetik olarak kontrol edilen bir yumuşak sürüngen prototipi gösterdi; bu, dar enkaz veya hatta kan damarı büyüklüğündeki kanallardan geçebilirdi.

Tıpta, mikroskobik yumuşak robotlar, ilaçları doğrudan vücutta teslim edebilir. Bir MIT çalışmasında, bir iplik inceliğindeki yumuşak robot, atardamarlarda yüzebilir ve tıkanıklıkları temizleyerek, açık cerrahi olmadan inme tedavisi yapabilir. Harvard bilim adamları da ALS hastaları için hafif, şişirilebilir bir kol desteği üzerinde çalışıyorlar – bu, omuzlarını kaldırmalarına ve hareket aralıklarını hemen iyileştirmelerine yardımcı oluyor.

Uzay ajansları da yumuşak zıplayıcıları düşünüyor. Tekerlekler kuma veya kayalara takılabilir, ancak zıplayan bir robot kraterler ve kum tepeleri üzerinden atlayabilir. NASA, Ay ve buzlu uydular için yeni zıplayıcılar hayal ediyor. Bir kavramda, bir futbol topu büyüklüğünde bir robot olan SPARROW, buzu buharlaştıran buhar jetlerini kullanarak Europa veya Enceladus’un yüzeyinde birçok mil zıplayabilir. Bu uydulardaki düşük yerçekimi ortamında, küçük bir zıplama çok uzun bir mesafeye gidebilir – bilim adamları, bir robotun Dünya’da bir metrelik bir zıplamasının Enceladus’ta 100 metrelik bir mesafeye karşılık gelebileceğini belirtiyorlar. Fikir, bu zıplayıcıların, tekerlekli arazözlerin takıldığı alien arazisinde “tamamen özgürce seyahat” edebilmesi. Dünya’da, gelecekteki yumuşak zıplayıcılar, nehrin, çamurun veya kararsız zeminin üzerinde zıplayarak, geleneksel robotların durduğu arama ve kurtarma görevlerinde yardımcı olabilir.

Yumuşak robotlar ayrıca endüstri ve tarımda iş buluyor. NSF, bunların fabrika zeminlerinde veya çiftliklerde güvenli bir şekilde çalışabileceğini, bir insan yoluna girdiğinde uyumlu davrandıklarını belirtiyor. Araştırmacılar, nazikçe meyveleri ezmeden onları alan yumuşak tutucular bile inşa ettiler. Yumuşak makinelerin esnekliği, onları sert cihazların giremediği veya esnek olamadığı yerlerde çalıştırabilme anlamına geliyor.

Sonuçta, uzmanlar, yumuşak robotiklerin birçok alanı temel olarak değiştireceğine inanıyor. Solucanlardan, giyilebilir sütlere ve ay zıplayıcılara kadar, bu araştırma çizgisi, küçük canlıların teknolojiye büyük atılımlar sağladığını gösteriyor.