Tırtıl Robot Yumuşak Robotiğin Sıradaki Evrimi Olabilir mi?
Gezegenimizde yaşayan canlı türlerinin yüzde 10’u (yaklaşık 180.000’i), larvası genellikle tırtıl olarak bilinen pulkanatlılar isimli böcek türüne aittir.
Takuya Umedachi yeryüzünü “tırtılların gezegeni” olarak tanımlıyor. Yumuşak, basit ve tüpe benzeyen vücutlarıyla tırtılların belirgin bir kemik yapısı bulunmuyor ve çok az sayıda nöron tarafından kontrol edilseler de farklı ortamlara uyum sağlayabiliyorlar. Bu özellikleriyle tırtıllar, yumuşak malzemeler kullanarak robotik hareket geliştirmek konusunda, ideal modeli sağlıyorlar. Bu tırtıl robot, yeni geliştirilen ve “yumuşak robotlar” adı verilen bir gruba ait. Yumuşak robotların yapımında, sert metaller yerine yumuşak malzemelerin kullanılması, insanlara yakın bölgelerde daha güvenle çalıştırılmalarına imkan veriyor.
Robotik alanının önde gelen araştırmacılarından Umedachi, yumuşak robot teknolojisine odaklanıyor. Kendisi aynı zamanda Tokyo Üniversitesi Bilgi Bilimi ve Teknolojisi Bölümünde proje eğitim görevlisidir. Umedachi, kişinin vücudu, aklı ve anıları arasındaki ilişkiyi irdeleyen Kabuktaki Hayalet gibi kurmaca eserlerden ilham alıyor. Robotları, insanlardan ve diğer organizmalardan ayıran sınırlara ilgi duyan araştırmacı, canlılarla benzer niteliklere sahip robot üretimi üzerine çalışmalara başlamış.
Endüstriyel robotların çoğu, omuz, dirsek veya bileğe benzeyen eklemlerle birleşen, kemik benzeri bağlantılarıyla insan kolu şeklinde tasarlanıyor. Robot kolda, akıcı ve serbest hareketi gerçekleştirmek için, normal olarak altı eklem (aks) kullanılıyor. Robotların neredeyse tüm bileşenleri sert metalden yapılıyor.
Yumuşak yapılı robotlar üzerine devam ettirdiği çalışmasında amip ve tırtıllardan ilham alan Umedachi, tek hücreli bir amip olan cıvık mantar plazmodyumunu (miksomiset) model alan bir robotu 2010 yılı itibarıyla zaten yaratmıştı. Bu robotlara yumuşak robot dendiğini bu alanda çalışmaya başladıktan sonra öğrendiğini belirten Umedachi, şöyle devam ediyor:
“Yumuşak toprakta veya dallarda faaliyet gösterebilen bu ‘sert robotların’ üretim aşamasında, ağırlık kısıtlamaları, karmaşık kontrol mekanizmaları ve geliştirmenin yüksek maliyeti gibi pek çok sorun karşınıza çıkabiliyor. Bana göre, şu an robot yapımındaki eğilim, canlılardaki oldukça işlevsel yapılardan ve şekillerden ilham alıyor.”
Doğayı taklit eden esnek yapılar elde etmek için yumuşak malzemelerin kullanıldığı yumuşak robotlar, pek çok farklı boyutta biçim değiştirebilecek ve doğrusal olmayan mekanikten yararlanabilecek şekilde tasarlanabilir. Sert robotların kullandığı kemik ve eklem benzeri yapıların ötesine geçme potansiyeli taşıyan yumuşak robotlar, kaslara, kas-kemik bağlarına, cilde ve kıllara karşılık gelen bir işlevsellik sunuyor. Bu özellikler yumuşak robotları, güvenliğin en üst seviyede tutulduğu insanlara yakın alanlarda ve hızla değişen ortamlarda çalışmaya uygun hale getirebilir.
Bu tür yumuşak robotların tasarımı, üretimi ve kontrolü, sert robotlara göre daha farklı yaklaşımlar gerektirecek. İlk etapta küçük balonlar ve benzeri yapılardan yararlanan Umedachi, daha sonra San Francisco’da Embarcadero caddesindeki 9 numaralı İskele‘de bulunan Autodesk Teknoloji Merkezinde, 3B baskı gibi gelişmiş teknolojilerle karşılaşmış. Araştırmacıda derin etkiler bırakan bu teknolojiler, bir süre sonra imalat yaklaşımını da değiştirmiş.
Umedachi, “Dişliler ve eklemler tasarlama zorunluluğu yerine, yaratmak istediğim yapının sertlik dağılımını ayarlayarak, istediğim işlevselliği elde edebildim,” diyor. “Bu araçların, yumuşak robotlarıma mükemmel uyum sağladığını hissettim.”
Massachusetts’teki Tufts Üniversitesinde yaptığı araştırma sırasında, tırtıldan esinlendiği robotu yaparken, Umedachi tek tek parçalarla uğraşmak yerine, robotun bütününü 3B yazıcı kullanarak elde etmiş. “Sonunda yumuşak malzemeleri 3B baskıda kullanabildik ve böylece bu teknolojiyle yaptığımız bu robot ortaya çıktı.”
Geleneksel sert robotların mekanik sistemleri, gövdeye takılan her bir parçanın işlevinin belirli olmasını zorunlu kılıyor; eğer ek bir işlev gerekirse, robota yeni parçalar takmalısınız. Oysa ki yumuşak yapılı robotlar, çok az sayıda bağımsız parçayla, farklı biçimlere girebilirler; elastik özelliklerini değiştirip, dış kuvvetlere eş zamanlı cevap verebilirler; ve hareketi vücutlarının bir yerinden diğerine dahili olarak aktarıp, faaliyetin devamlılığını sağlayabilirler.
Duruş ve Yön Kontrollü 3B Baskılı Yumuşak Robot Tasarımı
Umedachi tırtıldan esinlenerek tasarladığı robotunu, yumuşak, kauçuğa benzer malzemelerle sert malzemeleri aynı anda işleyebilen bir 3B yazıcı kullanarak imal etmiş. Elektrik verildiğinde büzülen şekil hafızalı alaşım yay şeklinde sarılmış. Bu yayların ikisi robotun ön parçasında, biri de arka bölümünde yer alıyor. Bu yayların büzülmesi için farklı zamanlamalar kullanılarak, robota geniş bir hareket kabiliyeti kazandırılabilir; robot, ilerleyebilir, sağa veya sola yönelebilir ya da gittiği yönün tersine dönebilir.
Umedachi şöyle diyor: “Artık çok gelişmiş araçlara sahibiz. Bu araçlar üç boyutlu tasarım yapmamı kolaylaştırıyor. Autodesk Fusion 360‘taki organik kıvrımlar oluşturmaya yarayan şekillendirme fonksiyonları, çalışmalarıma benzersiz fayda sağlıyor. İleride, bu organik kıvrımları robotlarıma uygulayarak, onların fiziksel özellikleri üzerindeki etkisini test etmek istiyorum.”
Umedachi aynı zamanda, tıpkı organizmalar gibi çevresel değişimlere adapte olabilen otonom ve merkezi olmayan kontrol birimlerini araştırıyor. Örneğin, bir kedi yürürken, her bacak hem bağımsız şekilde hem de birlikte bir bütün olarak hareket eder. Bacaklar, vücudun farklı parçaları arasındaki iletişimden (sinirler ve mekanik kuvvet yoluyla) doğan etkileşimlerle, genel harekette bir uyum oluşturur. Umedachi’nin araştırma kuramı, bu “otonom ve merkezi olmayan kontrol birimlerine” dayanıyor.
Umedachi, teorilerini test etmek üzere, rahatça kontrol edilebilen yumuşak bir robot yapmak istemiş. Tasarımında otonom ve merkezi olmayan kontrol birimleri kullanan Umedachi, en temel yaşam formu olan tek hücreli organizmadan ilham almış. Umedachi’nin tırtıldan esinlenerek tasarladığı robotunda, dönmeyi sağlayan motorlar, ayrı ayrı düşünebilecek ve hareketi sağlamak için büzülme ritimlerini birbirlerine göre uyarlayacak şekilde ayarlandı. Robot, kendi sürünme hareketini başarılı bir şekilde yapabildi.
Umedachi, bu tür bir yumuşak robotu tasarlarken karşılaştığı en büyük zorluğun, farklı kuvvetlerin robotun gövdesi üzerindeki etkisini belirlemek olduğunu söylüyor. Hareketin hızını artırmak için hangi bölgelerin güçlendirilmesi gerekiyor? Hangi kısımlar bedenin zeminde ilerleyebilmesini sağlıyor? Büzülmeler yumuşak beden boyunca ne şekilde aktarılıyor?
Umedachi şöyle diyor: “Yumuşak bir bedende her parça eklem görevini üstlenebilir. Nereye kuvvet uygulanacağını söylemek zorlaşıyor. Robotik kuvvetlerle ilgili bir disiplin; ancak, tıpkı elektrik gibi, gözle görülemediği için kuvvetlerle çalışmak kolay değil.”
D07: Tırtılımsı: Merkezi olmayan bir sistemle kontrol edilen tırtıla benzer yumuşak robot
Hareket kabiliyeti yüksek bir robot tasarladığınızda, bu robota sensörler eklemek işten bile değil. Umedachi’ye göre, “İnsanların normalde ulaşamadığı yerlerdeki işler için bu robotlar kullanılabilir.
Örneğin, şu anda bir şirketle birlikte bir proje üzerinde çalışıyoruz. Bu projedeki yumuşak robot elektrik hatlarının üstünde ilerleyebiliyor. Bu tür bir robotun yapımı için gerekli malzemelerin maliyeti yalnızca 2.000 ila 3.000 yen (18 dolar ila 27 dolar) arasında değişiyor. Dolayısıyla, bakım işleri için bu robotu elektrik hatlarının üzerinde bırakabiliyoruz.”
Dünya genelindeki tüm endüstriyel robot imalatında Japonya’nın payı yüzde 56. Ülkenin mevcut yapay zeka gelişmelerinin arasında, iş yerleri ve konutlarda, giderek artan sayıda çeşitli roller üstlenebilecek daha elverişli robotlar üretmek yer alıyor. Yumuşak robotik henüz yeni bir alan; ve bu alanın birçok yönü, geleneksel robotlara yönelik devam eden araştırmalarla henüz uyumlu hale getirilmedi.
Umedachi diyor ki: “Biz insanlar da sert ve yumuşak malzemelerin birleşiminden oluşuyoruz. Sezgilerim bana, yumuşak robotların nihayetinde sert robotlarla birleşerek, insana benzer bir forma evrileceğini söylüyor.”