Solucanların, Baharların ve Yumuşak Robotların Hikayesi: Küçük Canlılar Büyük Atılımlar Yaratabilir

Georgia Tech’teki araştırmacılar yakın zamanda etkileyici bir başarı elde ettiler: 5 inç uzunluğundaki bir yumuşak robot, bacakları olmadan 10 feet yüksekliğe sıçrayabiliyor – bir basketbol potasının yüksekliği. Tasarım, insan saçından daha ince olan ve vücudunun birçok kez uzunluğuna sıçrayabilen alçakgönüllü nematod tarafından esinlenmiştir.

Vücutlarını sıkı kıvranmalarla kıvranarak, solucan esnek enerji depolar ve sonra aniden salar, kendini yukarıya veya geriye, bir akrobat jimnastikçi gibi fırlatır. Mühendisler bu hareketi taklit ettiler. “SoftJM” robotu esasen esnek bir silikon çubuk ve bir karbon fiber omurgadan oluşur. Kıvranma şekline bağlı olarak ileriye veya geriye zıplayabilir – tekerleği veya bacağı yokken.

Eylemde, nematod-esinlenen robot, bir insan gibi çömelerek sonra patlayıcı bir şekilde uzanarak zıplar. Yüksek hızlı bir kamera, solucanın başını yukarıya doğru eğip vücudunun orta kısmını kıvrarak geriye zıpladığını, sonra düzleştirip kuyruğunu kıvrarak ileri zıpladığını gösterir.

Georgia Tech ekibi, bu sıkı kıvranmaların – normalde bir problem olan – aslında solucan ve robota çok daha fazla enerji depolama olanağı sağladığını keşfetti. Bir araştırmacı, kıvrılmış bir çubuğun veya hortumun işe yaramaz olduğunu, ancak bir kıvrılmış solucanın bir yüklenmiş yay gibi davrandığını belirtti. Laboratuvarda, yumuşak robot bu numarayı tekrar etti: “orta veya kuyruk kısmını sıktı”, gerildi ve sonra (yaklaşık olarak bir onda biri saniye) bir patlama ile havaya fırladı.

Yumuşak Robotlar Yükselişte

Yumuşak robotik, genç ancak hızla büyüyen bir alandır ve genellikle doğadan ipuçları alır. Rigid metal makinelerin aksine, yumuşak robotlar esnek malzemelerden yapılmıştır ve surroundingsına sıkışabilir, uzatabilir ve uyarlayabilir. Alanın erken kilometre taşları arasında Harvard’ın Octobot – sıvı kanalları ve esnek bir gövdeye sahip, hiçbir rigid parça olmayan, ahtapot kaslarından esinlenen otonom bir robottur. Bundan sonra, mühendisler yumuşak makinelerin bir menajerisini inşa ettiler: solucan benzeri sürünenler, jelleşmiş tutucular, giyilebilir “exo-suits” ve sarmaşık benzeri robotlardan oluşur.

Örneğin, Yale araştırmacıları, bir kaplumbağa-esinlenen yumuşak robota, bacaklarının yüzmeye veya yürümeye bağlı olarak sarkık paletler veya sert “kara bacakları” arasında geçiş yapabileceği bir robota sahip oldular. UCSB’de bilim adamları, yalnızca ışık duyarlı “cilt” kullanarak ışığa doğru büyüyen, bir bitki gövdesi gibi dar alanlardan geçen bir sarmaşık benzeri robota sahip oldular. Bu ve diğer biyo-esinlenen yenilikler, yumuşak malzemelerin yeni hareket modları oluşturabileceğini gösteriyor.

Genel olarak, destekçiler, yumuşak robotların geleneksel robotların gidemediği yerlere gidebileceğini söylüyor. ABD Ulusal Bilim Vakfı uyarlanabilir yumuşak makinelerin “geleneksel robotların ulaşamadığı alanları keşfettiğini” belirtiyor – hatta insan vücudunun içinde. Bazı yumuşak robotlar, nesneleri yakalamak veya karışmak için renk veya sertlik değiştirebilen programlanabilir “ciltlere” sahiptir. Mühendisler ayrıca origami/kirigami teknikleri, şekil belleği polimerleri ve bu robotların uçta yeniden yapılandırılması için diğer numaraları keşfediyorlar.

Esnek Hareket Mühendisliği

Bir yumuşak robota hayvan gibi hareket ettirme, büyük zorluklar getirir. Sert eklem veya motorlar olmadan, tasarımcılar malzeme özelliklerine ve akıllı geometriye güvenmek zorundadır. Örneğin, Georgia Tech’in zıplayıcısı, lastik gövdesinin içinde güçlü bir yay eylemi için bir karbon fiber omurgasını içermelidir. Sensörleri ve kontrol sistemlerini entegre etmek de zordur. Penn State mühendisleri belirttiğine göre, geleneksel elektronikler serttir ve bir yumuşak robota engel oluşturur.

Küçük bir kurtarma robotunu “akıllı” yapmak için, esnek devreleri gövde boyunca dikkatlice yaymak zorundalar, böylece masih esnek kalabilir. Enerji kaynaklarını bulmak da daha zordur: bazı yumuşak robotlar dış manyetik alanlar veya basınçlı hava kullanır, çünkü bir pil taşıması onları ağırlaştıracaktır.

Georgia Tech’ten nematod-esinlenen yumuşak robotlar (Fotoğraf: Candler Hobbs)

Diğer bir engel, doğru fiziksel özelliklerin kullanılmasını içerir. Nematod-robot ekibi, kıvranmaların aslında yardımcı olduğunu öğrendi. Normal bir kauçuktan boruda, bir kıvranma nhanhça akışı durdurur; ancak bir yumuşak solucanda, iç basınç yavaşça birikir, bu da çok daha fazla bükülme olanağı sağlar ve sonra hızlı bir şekilde bırakılır. Simülasyonlar ve su dolu balon modelleri ile deneysel olarak, araştırmacılar, esnek gövdenin çok fazla esnek enerji depolayabileceğini ve sonra hızlı bir şekilde bırakabileceğini gösterdiler. Sonuç gerçekten etkileyici: dinlenmeden robot 10 feet yüksekliğe zıplayabilir, sadece omurgasını esneterek. Bu atılımlar – lastik malzemelerde enerji depolama ve bırakma yolları bulma – yumuşak robotik mühendisliğinin tipik özellikleridir.

Gerçek Dünya Zıplayıcıları ve Yardımcıları

Bu yumuşak robotlar ne için iyi? İlk olarak, tehlikeli veya garip durumlarla başa çıkabilirler. Örneğin, felaket bölgelerinde, yumuşak botlar enkazın altına veya çökmüş binalara girebilir ve sağ kalanları bulabilir. Penn State, dar enkaz veya hatta kan damarı büyüklüğünde kanallardan geçebilen manyetik olarak kontrol edilen bir yumuşak sürüngen prototipini gösterdi.

Tıpta, mikroskobik yumuşak robotlar, ilaçları doğrudan vücutta teslim edebilir. Bir MIT çalışmasında, bir iplik inceliğindeki yumuşak robot, atardamarlar boyunca yüzebilir ve tıkanıklıkları temizleyerek, açık cerrahi olmadan inme tedavisi yapabilir. Harvard bilim adamları da yumuşak giyilebilir ekzoskeletler üzerinde çalışıyorlar – bir ALS hastasının omzunu kaldırmasına yardımcı olan bir hafif şişirilebilir kolluk.

Uzay ajansları da yumuşak zıplayıcıları göz önünde bulunduruyor. Tekerlekler kum veya kayalar üzerinde takılabilir, ancak bir zıplayıcı 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 buhar jetleri (buzun buharlaştırılmasıyla) kullanarak Europa veya Enceladus üzerinde birçok mil zıplayabilir. Bu uydulardaki düşük yerçekimi ortamında, küçük bir zıplayış çok uzun bir mesafeye gidebilir – bilim adamları, bir robotun Dünya’da bir metrelik bir zıplayışının Enceladus’ta 100 metrelik bir mesafeye karşılık gelebileceğini belirtiyorlar. Fikir, bu zıplayıcıların, tekerlekli arazözlerin takılacağı alien arazisinde “tamamen seyahat özgürlüğü” ile swarming edebileceği. Dünya’da, gelecekteki yumuşak zıplayıcılar, nehirler, çamur veya kararsız zeminler üzerinde zıplayarak kurtarma görevlerine yardımcı olabilir.

Yumuşak robotlar ayrıca endüstri ve tarım sektöründe iş buluyor. NSF, bunların fabrika zeminlerinde veya çiftliklerde güvenli yardımcılar olabileceğini belirtiyor, çünkü bir insan yolunda olduklarında uyum sağlarlar. Araştırmacılar, nazikçe hassas meyveleri ezmeden alan yumuşak tutucular inşa ettiler. Yumuşak makinelerin esnekliği, onları sert cihazların ulaşamayacağı yerlerde hareket ettirir.

Sonuç olarak, uzmanlar, yumuşak robotların birçok alanı temel olarak değiştireceğine inanıyor. Solucanlardan, giyilebilir kıyafetlere, lunar zıplayıcılara kadar, bu araştırma çizgisi, küçük canlıların teknoloji alanında büyük atılımlar yapabileceğini gösteriyor.