Gelecek Origami ve Esnek Robotikte Bilim - Teknoloji

Gelecek Origami ve Esnek Robotikte

Esnek materyallerin robotik dünyasına girmesiyle sert materyallerden üretilmiş olan robotların yapamadığı birçok şeyi yapabilmeye başladık. Günümüzde endüstriye giren en popüler örnek zarar verilmek istenmeyen ürünlerin taşınması için üretilmiş yumuşak robot kıskaç. İçlerinde bulunan akışkanın basıncının değiştirilmesi sayesinde görevini yerine getiren bu kıskaçlar birçok gıda fabrikasında görev almaya başladı bile. Fakat bu yeni materyallerin beraberinde getirdikleri bir sıkıntı var. Esnek materyallerin, sert olan materyallere göre çok daha fazla elastik şekilde deforme olabilmeleri bu materyallerin bir artısı olsa da; uygulayabildikleri stresin dolayısıyla kuvvetlerin, sert olanlardan daha az olması da onların eksi yanı olmuş oluyor. Bilim dünyasının esnek robotik ile ilgilenen alanının şu sırada uğraştığı temel şeylerden biri ise farklı hareketleri gerçekleştirebilen kolay ve ucuza üretilebilinir esnek robot parçalarının üretilmesi.

Buna çözüm üretmek isteyen bilim insanları, origamiyi kullanarak akışkanlar ile çalışabilen yapay kaslar ürettiler. Şimdiye kadar akıllı materyaller (Shape-memory alloys, SMAs), elektro aktif polimerler (EAPs) ve vakumlu pnömatik (Vacuum-actuated muscle-inspired pneumatic stuructures, VAMPs) elastomerler ile üretilen yapay kasları değerlendirmekle işe başlayan araştırmacılar, akışkanları kullanmanın en ucuz ve verimli yol olduğuna karar vermişler. Akıllı materyaller çok güçlü olsa da ısınmaları için harcanan enerji ve eski hallerine dönebilmek için harcadıkları enerji yüzünden verimliliği diğer yöntemlere göre düşük kalmakta. Elektro aktif polimerlere bakacak olursak; daha verimli olmaları ve hafif olmaları olumlu yönde katkı sağlasa da; çalışmaları için gerekli olan yüksek voltajlar pratik kullanım için olumsuz etki yaratmakta. Akışkan ile çalışan kaslar ise kolay, ucuz ve yeterli seviyede güç sağlayabildikleri için piyasaya sürülebilinecek yumuşak materyal içeren robotların kontrol edilmesi için biçilmiş kaftan olarak görülüyorlar. Yazımızın konusu olan araştırmada ise, var olan akışkan yöntemini ortama göre negatif basınçla çalışabilen kaslar üretilerek daha güvenli bir ürün ortaya çıkmış.

Elastik şekilde deforme olabilen bir “iskelet” dışına geçirilen ince bir “deri” ve aralarında yer alan bir akışkandan oluşan model sonsuz şekillerde üretilip farklı hareketler yapması sağlanabiliyor. Sonsuz varyasyonların sağlanması, içeride bulunan iskeletin farklı şekillerde katlanabilmesinden kaynaklanıyor. İskeletin 3 boyutlu yazıcıda, döküm olarak, işlenerek ve hatta elle katlanarak hazırlanabildiğini söyleyen bilim insanları; derinin de iskeletin üzerine ısı veya yapıştırmak gibi birçok yöntemle kaplanabileceğini ve oluşturulan kapalı alanda iskeletle arasına istenilen özelliğe göre farklı sıvılar konulabileceğini belirtiyorlar. Dikkat edilmesi gereken önemli noktalar ise; iskelet olarak kullanılan parçanın defalarca aynı harekete maruz kalabilecek bir materyalden yapılması gerektiği ve içerideki akışkanın belli noktalarda birikmemesi için gerekli kanalların tasarlanmış olması. Aynı zamanda derinin içerisinde ve dışarısında bulunan akışkanlara karşı dayanıklı olması gerekmekte. Yine de araştırmacılar, görevinin tamamladıktan sonra kendi kendine yok olabilen robotların üretiminde kullanılabilinecek bir yöntem olduğunu göstermek için sıcak suda (~70 santigrat derece) çözünebilen maddeden de bir düzenek oluşturmuşlar ve başarılı sonuçlar elde etmişler. Her varyasyonda havanın ve suyun kullanılabileceğini savunan ekip, su altı çalışmaları için ortamda var olan suyun rahatlıkla kullanılabileceğini de söylemekte.

(A) Polieter eter keton (PEEK) materyalinden zigzag origami yapısı ile üretilmiş iskelet ve deri olarak PVC film kullanılan minyatür doğrusal kas (actuator). (B) Zigzag şekilli düzeneğin 30 saniye içerisinde ~20kilogramlık tekeri kaldırması. (C) Kasların çalışmasının şematik gösterimi. (D) Üretim aşamalarının şematik gösterimi.

İçerideki akışkanın basıncı azaltıldığında düzenek iskeletin yapısına göre katlanıp ve istenilen görevi yerine getiren kaslar araştırma sırasında -90kPa vakum yaratılarak neredeyse 428 Newtonluk kuvvet uygulamayı başarmışlar.  10 dakikada üretilmiş olan 10 santimlik kas 2.6 gram ağırlığında ve -80 kilo paskallık vakum sayesinde 0.2 saniye içerisinde 3 kilogramlık bir cismi kaldırabilmekte. Yine de kullanılan vakum pompasının boyutları önem arz etmekte. Minyatür elektrikli vakum kullandıklarında verimde %20 düşüş gözlemlendiği için küçük boyutlu elektrikli vakumların geliştirilmesi bu sistemin çok daha fazla alanda kullanılmasını sağlayacaktır.

Şimdilik minyatür ameliyat aletleri, giyilebilinir dış iskeletler, uzay veya su altı araştırmalarında kullanılabilinecek robotlar için oldukça pratik bir çözüm bulmuşlar. Bizler pek farkında olmasak da geleceğin robotlarının temelleri bu senelerde oldukça sağlamlaştırılıyor ve yakın zamanda bizi oldukça gelişmiş şeyler bekliyor, benden söylemesi.

 

Kaynakça

Yazı Ana Görseli: https://s.aolcdn.com/hss/storage/midas/9f919426dd85ef3c44044dc8697b2357/205888511/blue+snake+arm.jpg

Göresel: http://www.pnas.org/content/114/50/13132/F1.expansion.html

https://www.seas.harvard.edu/news/2017/11/artificial-muscles-give-soft-robots-superpowers

http://www.pnas.org/content/114/50/13132.full.pdf

 

İlgili Yazılar