CANLI-TAKLİTÇİ ROBOTLAR 01: BALIK TERBİYECİLERİ

Canlı-taklitçi robotlar yazı dizimizin ilk ayağında su altına inip, balıklara nereye gitmeleri gerektiğini öğretecek robot balıkları inceleyeceğiz.

Biyomimetik veya canlı-taklitçilik (ingilizcedeki karşılığı biomimicry, biomimetics veya bio-inspiration) doğaya, onun modellerine, sistemlerine, süreçlerine ve unsurlarına öykünerek insan sorunlarını çözmeye yarayan bir metodolojidir. Amerikalı bir mucit ve akademisyen olan Otto Schmitt’in, biyolojiden teknolojiye fikir transferi olarak ortaya attığı bir kavramdır. Doğanın en karmaşık varlıkları arasında olan hayvan ve insanların davranışlarını, dinamiklerini ve hareketlerini temel alarak ortaya konulmuş sayısız modelleme yöntemi ve gündelik hayatlarımızda yerlerini almış icat yapılmıştır (Şekil 1). Peki doğanın bize sunduğu bu fikirler nasıl oluyor da bu kadar etkin ve başarılı yöntemlerin geliştirilebilmesini sağlıyor?

Şekil 1: İnsanlık tüm tarih boyunca kara üzerinde hüküm sürmüş olsa da, deniz altındaki ve göklerdeki tecrübelerimiz en fazla 200 yıl gerisine gidiyor.

Aslında bunun basit bir sebebi var. 3.8 milyar yıl gibi insan zihninin algılamakta bile zorlandığı bir süre  içerisinde, doğa “deneme ve yanılma” yöntemiyle Dünya üzerinde yaşayan organizmaları, maddeleri ve süreçleri Dünya şartlarına uyumlu hale getirdi. Bugün bilgisayarlarla bile modelleyemeyeceğimiz karmaşıklıkta etkileşimler barındıran Dünya doğası içerisinde şekillenmiş canlılarla birlikte yaşıyoruz. Hatta o canlılardan biriyiz. Süperbilgisayarlarla bile yüzlerce insan nesli boyunca sürecek simülasyonlar sonunda alabileceğimiz verileri, doğa zaten gözlerimizin önüne sunmuş durumda. Tek yapmamız gereken doğaya “ters mühendislik” uygulamak. Diğer bir deyişle gözlemlediğimiz olgunun, yani canlı, süreç veya maddenin teknik prensiplerini, yapısını, işlevini ve çalışma şeklini keşfetmek. Aslında insanlar var oldukları sürece sorunların çözümleri için ister istemez doğaya yöneldiler. Ne de olsa doğa günümüzün karmaşık mühendislik problemleri olan birçok sorunu evrim prensipleri çerçevesinde çözmeyi başarmıştı [1].

Sonuç olarak biyomimetik, hem büyük ölçekli (örneğin uçak), hem de küçük ölçekli (nano mertebesinde) teknolojilerin doğadan esinlenmesiyle yoluna devam eden bir bilim. Yazının bir sonraki bölümünde biyomimetiğin gündelik hayatımızda yerini almış olan birkaç kullanım alanından bahsettikten sonra, bu ayın konusu olan “balıklardan esinlenmiş robotlar”a odaklanacağız.

Şekil 2: Aerodinamiğin ve uçuş prensiplerinin henüz bilinmediği 15. yüzyılda, Leonardo da Vinci, helikopter, planör ve uçak tasarımlarıyla çığır açmıştı.

Canlı-taklitçiliğin ilk ve çarpıcı örneklerinden biri insanın her zaman hayalini oluşturan uçma deneyimi için kuşların araştırılmasıyla ortaya çıktı. Uçabilen bir makine yapmayı başaramamış olsa da, Leonardo da Vinci (1452–1519) uzunca yıllar kuşların uçuşlarını ve anatomilerini inceledi. Aldığı notlar ve karaladığı taslaklarla geride birçok uçan makine eskizi bıraktı (Şekil 2). İnsanoğlu, uçma hayalini gerçekleştirmek için ise rivayetlere göre 17. yüzyıla, yazılı resmi kayıtlara göre ise 20. yüzyıla kadar beklemek zorunda kaldı. Evliya Çelebi’nin 1630-1632 yılları arasını tasvir eden günlüklerinde, Hezarfen Ahmet Çelebi’nin geliştirdiği kuş kanatlarıyla Galata Kulesi’nden atlayıp İstanbul Boğazı’nı geçip 3358 m. ötede Üsküdar’a konduğu varsayılmaktadır. 1903 yılında ise bir uçak ile ilk başarılı insan uçuşunu gerçekleştiren Wright Kardeşler, güvercinlerin uçuşlarından ilham aldıklarını söylemişlerdir.

Bir diğer biyomimetik uygulama ise yarasalara öykünerek yaratıldı. Yarasaların, karanlıkta seslerinin yankısını kullanarak yerlerini belirlemelerine yarayan eko-lokalizasyon yöntemi SONAR ve RADAR sistemlerinin temelini oluşturdu. Aynı yöntemle, UltraCane adı verilen akıllı bastonlar, görme engelli insanlar için algıladıkları çevreyi titreşim bilgisine çevirerek  ellerine iletiyorlar.

Şekil 3: Her örümcek türünün, kendisine has ağ örme stili vardır. Ancak dikkati çeken nokta, ağlarda geometrik inceliklerin her zaman varlığıdır.

Örümceklerin ağ örme tekniklerini inceleyen bilim adamları, benzer bir teknolojiyle kurşun geçirmez yelek yapımında da kullanılan Kevlar’dan bile daha kuvvetli bir madde üretiminde çalışıyorlar. Bu ağın sırları hala bilim adamlarının zihinlerini kurcalıyor, çünkü çapı bir mikrometreden de küçük olan örümcek ipliğinin aynı kalınlıktaki çelik telden çok daha sağlam olduğu biliniyor (Şekil 3). Aynı zamanda ağ kendi uzunluğunun birkaç katı kadar esneyebiliyor ve son derece hafif. Kevlar teknolojisi ise yüksek sıcaklıklarda, petrol türevi malzeme ve sülfürik asit kullanılarak yapıldığı için hem enerji tüketimi yüksek hem de oluşan yan ürünleri zehirli. Örümcek ağlarından esinlenilen bu teknolojinin özellikle çelik halatlarda, su geçirmez maddelerde, paraşütlerde ve tıbbi yapay eklem üretiminde faydalı olacağına kesin gözüyle bakılıyor.

Midyelerden ilham alınarak yapılmış yapıştırıcılar, yaprak şeklindeki güneş panelleri, köpekbalığı derisini andıran dokular, kelebeklerden ilham alınmış görüntüleme teknolojileri ve bunun gibi daha yüzlerce yenilik köklerini doğadan alıyor. Kişisel olarak en beğendiğim biomimetik projelerinden biriyle bu örnekleri sonlandırmak istiyorum. Bunun için sizleri Japonya’ya götüreceğim. Mermi tren adıyla da anılan Japon hızlı trenleri “Shinkansen”lerin çok rahatsız edici bir özellikleri vardı. Tren saatte 330km hız ile giderken tünele girdiği zaman, ön tarafında o kadar şiddetli bir basınç dalgası yaratıyordu ki, tünelden çıktığı noktada sonik patlama veya gökgürültüsüne benzeyen bir ses çıkarıyordu. Bu sebeple tünelin 500 metre uzağına mesafede yaşayan halk bu durumdan çok şikayetçiydi. Tren tasarım takımının liderlerinden bir mühendis olan Eiji Nakatsu şans eseri aynı zamanda da bir kuş gözlemcisiydi. (Adamın marjinal bir hobisi olduğu düşünülmesin; kuş gözlemciliği doğa dostu Japon halkı arasında çok popülerdir.) Balıkçıl kuşlarının havada ve suda nasıl olup da en az şekilde türbülans yaratarak uçtuğunundan esinlenerek bu trenin burnunu balıkçılın burnuna benzetti. Bu sayede sadece bu can sıkıcı problemi çözmeyi başarmadı, aynı zamanda trenin %15 daha  az elektrik harcamasını ve %10 daha hızlı ilerlemesini de sağladı [2] (Şekil 4).

Şekil 4: Eiji Nakatsu'nun bu tasarımı iyi bir mühendis olabilmek için sadece kitaplara kapanıp teknik bilgiye sahip olmanın yeterli olmadığını kanıtlar nitelikte.

Balıkların Efendisi

Balıkların sürüler halinde yaşadıkları bilinen bir gerçektir. Bunun başlıca sebepleri arasında, avcılardan daha rahat korunuyor olmaları, kolayca eş seçebilmeleri ve sonuç olarak da gereksiz enerji kullanımını azaltmaları gösterilebilir. Bunun yanında kalabalık yaşamalarının dezavantajları da var. Örneğin, aynı besine ulaşabilmek için sürü içinde artan mücadele ve bulaşıcı hastalıklara karşı daha savunmasız hale gelmeleri bunlardan bir kaçı.

Şekil 5: Çok basit bir tasarıma sahip olan bu robot balık, sadece kuyruğunu sallayarak kendini diğer balıkların arasına kabul ettirmeyi başardı.

Balıkların sürü oluşturma konusundaki dürtülerini daha iyi anlayabilmek amacıyla, Stefano Marras and Maurizio Porfiri küçük bir robot balık tasarladılar ve bu balığı laboratuvarlarında oluşturdukları yapay bir kanalın içinde akan suya koydular [3] (Şekil 5). Hemen arkasına da gerçek bir çipurayı bıraktılar. Su akıntı halinde olduğundan balık kanal boyunca yüzmek zorundaydı.

Bu deney çok ilginç sonuçlar ortaya koydu. Eğer robot hareketsiz kalırsa, canlı balık robotu görmezden geliyordu. Ancak robot balık kuyruğunu çipuranın hareketiyle aynı şekilde sallamaya başlarsa, düzen oluşturmaya meyillenip hemen arkasındaki yerini alıyordu. Daha da ilginci, sürü yüzüşüne başlayan balık hareketlerini yavaşlatabiliyor ve bu sayede enerjisini daha etkin bir şekilde kullanabiliyordu. Aşağıdaki videoda balığın davranışını inceleyebilirsiniz. Bu  davranış bize kazların “V” formasyonuyla uçarak rüzgarın sürtünme kuvvetinden asgari şekilde etkilenişini hatırlatıyor. Bu formasyon içerisinde uçan her kuş, kanat çırptığında arkasındaki kuş için onu kaldıran bir hava akımı yaratıyor. Kaz grubu, birbirlerinin kanat çırpışlarındaki hava akımını kullanarak uçuş menzillerini uzatıyorlar [4].

Peki bu robotun faydası ne olabilir? 2010 yılında Meksika Körfezi’nde meydana gelen petrol sızıntısı [5] gibi büyük çaplı çevre felaketlerinde bu tarz robotlar sayesinde balıkları bir bölgeden başka bir bölgeye yönlendirmek ve balık nüfusunu koruma altına almak mümkün olabilir. İkinci olarak, bu tarz sürü oluşturmanın temelinde yatan motivasyonun gerçekten de enerjilerini koruma içgüdüsü olduğu çıkarımında bulunmamızı sağladı, çünkü çevrede bir avcı bulunmuyordu.

Birçok balık ile tekrarlanan bu deneylerde bazı balıkların sürü oluşturmalarına rağmen robota ihtiyatlı yaklaşıp aralarına mesafe koydukları, çoğunun ise robot gerçek bir balıkmışcasına onu aralarına kabul ettikleri gözlendi, üstelik kendilerinden iki kat büyük olmalarına rağmen. Bu deney sonunda bilim adamlarının zihnini kurcalayan yeni bir soru oluştu: Nasıl oluyor da, balıklar aralarına katılan bu robotu sürülerinin yeni üyesi yapmak yerine lideri yapıyorlar? Ayrıca bu çalışma biyomimetik hareketin robot-hayvan etkileşimini etkin kılabilmek için ne kadar elzem olduğunu ve gelişmekte olan robotik teknolojilerinin kollektif hayvan davranışlarını inceleyip anlamamız konusunda ne kadar çok yardımcı olabileceğini göstermesi açısından çok önemliydi.

Play

Kaynaklar:

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Biomimicry
[2] http://www.asknature.org/product/6273d963ef015b98f641fc2b67992a5e
[3] S. Marras, M. Porfiri, Fish and robots swimming together: attraction towards the robot demands biomimetic locomotion, J. R. Soc. Interface, Basımdan önce çevrim içi olarak yayınlandı 22 Şubat 2012, doi: 10.1098/​rsif.2012.0084
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/V_formation
[5] http://tr.wikipedia.org/wiki/BP_Deepwater_Horizon_petrol_s%C4%B1z%C4%B1nt%C4%B1s%C4%B1

 

 

Yazar hakkında: Gökhan İnce


Lisansını İstanbul Teknik Üniversitesi, yüksek lisansını Darmstadt Teknik Üniversitesi ve doktorasını Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nden elektronik, haberleşme ve bilişim teknolojileri üzerine aldı. Sırasıyla Almanya ve Japonya'daki Honda Araştırma Enstitüsü'nde robotik, yapay zeka ve işaret işleme alanlarında çalışmalar yaptıktan sonra, İTÜ Bilgisayar Mühendisliği'nde araştırmalarına devam ediyor.