Ahtapotun Yapısından Esinlenerek Üretilen Robot |
Octo-Bot

Esnek yapısıyla dikkat çeken ve ahtapot yapısından esinlenerek tasarımı yapılan robot Octo-Bot’u sizler için inceledik.

A- A+

25.10.2020 tarihli yazı 9084 kez okunmuştur.

Esnek robotik alanının öncülerinden olan Octo-bot, İtalya da BioRobotics Enstütüsünde geliştirildi. Ahtapot özelliklerine sahip olan robot, “Octo-Bot” dizaynı ve esnek yapısı sayesinde Akdeniz sularına indi. Sürünme komutu verildiğinde kumda ve kayaların üzerinde kabiliyetlerini sergiledi. Dar bir alanda ilerleme konusunda da oldukça başarılı bir performans sergiledi.

Yeni araştırma alanı denilebilecek bu alan, robotların neler yapabileceği ve nerelerde yararlı olabileceği konusundaki fikirleri değiştirme potansiyeline sahip. Ahtapotun şeklini taklit eden robotlar yapmak iki nedenden dolayı tercih edilmiştir. İlk amaç, bir robotun esneyip bükülebildiğinde ortaya çıkan avantajlarını sergilemek iken diğeri ise mükemmel bir mühendislik bütünlüğü sağlaması. Yaratıcıları, birden fazla mühendislik disiplinine sahip ve hidrodinamik kuvvetler karşısında çalışması gereken sekiz kolu olan bir ahtapotun tasarımını meydan okuma olarak adlandırılıyor.

Esnek robotik araştırması sırasında ekip, robotik teorilerinin ve tekniklerinin temelde yeniden düşünülmesini teşvik etmeyi amaçlamıştır. Bükülüp-esneyen aktüatörlerde(çalıştırıcılar) kullanılabilecek malzemeler sergilenmiştir.. Ayrıca uzuvlarını herhangi bir yönde bükebilen bir robotu çalıştırmaya yönelik stratejiler geliştirilmeye çalışıldı, bu da onu sadece birkaç kısmı oynayan, uzuvları sert olan, eklemli bir robotun tasarımından çok daha zor hale getirdi. Robotun yaratıcıları ise bu zorlukların üstesinden gelmek için, doğanın “olağanüstü bileşimi” olan ahtapot tasarımından ilham aldı.

Yakın zamana kadar, robotlar çoğunlukla , rijit kollarının eldeki tekrar eden görevler ve gereken doğruluk için çok uygun olduğu fabrikalarda kullanılıyordu. Şimdi ise robotikçiler, tasarımlarını geleneksel robotların sık sık sorun yaşadığı, öngörülemeyen ortamlarda çalıştırmanın öncülüğünü yapıyor. Bazı araştırmacılar, okyanus tabanı veya Mars'ın yüzeyi gibi düzensiz zeminlerde dolaşabilen esnek robotlar yapmak istiyor.

Bu robotlar, engebeli arazide takılıp kalmadan hareket etmeli ve karşılaştıkları garip şekilli nesneleri yakalayabilecek manipülatörlere ihtiyaç duyacaktır. Diğer araştırmacılar ise temas ettikleri insanlara zarar vermeyeceklerine güvenilebileceği yumuşak robotlara odaklanıyor. Bu tür yumuşak robotlar, örneğin, engelliler veya yaşlılar için yardımcı olarak çalışabilir ve küçük esnek robotlar , vücut içinde cerrahi aletler olarak bile kullanılabilir.

Bu hedeflerin peşinde, robotik araştırmacıları giderek daha fazla hayvan üzerinde çalışıyorlar. Bu mantıklı, çünkü hayvanların vücutları çoğunlukla esnek malzemelerden, esnek eklemlerden ve hasarsız şekil değiştirebilen dokudan oluşuyor. Esnek dokuları, şokları emdiğinden ve çeşitli yüzeylere uyum sağlayabildiğinden, hayvanlar büyük bir hassasiyet gerektirmeyen basit kontrol stratejileri kullanabilir.

Kısaca Ahtapor Entegrasyon Projesinin başlatılması, çabası büyüleyici varlıklar olan ahtapotların bir robot kopyasını oluşturmak için 2009 yılında birlikte çalışmaya başlayan Avrupa ve İsrail’ deki üniversitelerinden birkaç laboratuvarı bir araya getirmiştir. Consortium diye isimlendirilen topluluğun üyelerinden bazıları, tank benzeri bir robota eklenen bir "OctArm" ile sonuçlanan önceki bir proje üzerinde çalıştılar ve hayvanın olağanüstü yeteneklerini kopyalamak için büyük bir hevesle kolay olmayacağı öngörülen “yeni projeye” katıldılar.

Ahtapotun ne iç ne de dış iskeleti vardır ve sekiz kolu herhangi bir noktada bükülebilir, uzayıp kısalabilir ve kuvvet uygulamak için sertleşebilir. Birçok YouTube videosunda gösterildiği gibi, ahtapot kollarını nesnelerin etrafında çevirebilir ve büyük bir el becerisiyle birçok şekilde etki edebilir; bunlardan biri ahtapotun bir su altı fotoğrafçısından bir kamera çalması ve diğeri de kavanoz kapağının vidasını açarak kendini buradan çıkarması. Ahtapotlar vahşi doğada hayatta kalabilmek için bu tür becerilere ihtiyaç duyar. Örneğin, deniz tabanında ilerlediğinde, vücudunu ileri doğru itmek-çekmek için kolları, hareketlerini karmaşık bir dalgalanma dizisinde koordine etmelidir.

► İlginizi Çekebilir: Karada, Suda ve Buzda Hareket Edebilen Robot: Velox

Bu projede de ahtapotun çevik hareketlerini kopyalayıp aynı esnekliğe sahip bir robot üretilmesi amaçlanmıştır. Projeye ahtapot kolunun kaslı hidrostat yapısını incelenerek başlanmıştır. Hidrostat yapısı, kolun genel hacminin sabit kalmasına izin verirken, tek tek kaslar kasılır ve şekil değişikliğine yol açar. Yani bir kolun çapı küçüldüğünde uzunluğu artar ve bunun tersi de geçerlidir. Biyolojiyi mühendisliğe çevirmek(biyomimetik) için deniz biyologları ile birlikte ahtapot kollarının ölçülerini alarak tasarımlara bilgi verecek bilgisayar modelleri yapılmıştır. Daha sonra ise hayvanın kaslarını taklit edebilecek yumuşak “aktüatörler” denenmiştir.

Bir seçenek, elektro-aktif polimerler (EAP'ler) olarak bilinen malzemeleri kullanarak yapay kaslar yapmaktı . Esnek bir malzeme tabakası iki elektrot arasına sıkıştırılır; voltaj uygulandığında, EAP bir kapasitör görevi görür ve elektrotlar, aralarında esnek malzemeyi sıkıştırarak birbirine yaklaşır. Bu fenomeni kullanan araştırmacılar, önemli kuvvetler oluşturmak için yığınlar halinde düzenlenebilen kasılma birimleri yarattılar. Avrupa'da bir araştırma ağı, yapay kaslar için aktif olarak EAP'lerin peşinde.

Diğer bir olasılık ise daha büyük bir yapının şeklini değiştirmek için sıvıların veya gazların yumuşak odaları doldurduğu akışkan aktüatörleri kullanarak robotik kolları inşa etmek. Bölmelerin şekillerinin düzenlemesinin akıllıca tasarımı, robotik bir kolun istenen yönlerde bükülmesini sağlar sonuç olarak karmaşık hareketler sağlayabilir.

Başka ilginç yaklaşım da bir bölmenin sıvı yerine kum veya hatta çekilmiş kahve gibi granüler bir malzeme ile doldurulmasına dayanır . “Sıkışma” adı verilen bu teknikte, yumuşak robot vakum uygulanana kadar esnek kalır. Sonra robotun gövdesi, market raflarında bulabileceğiniz vakumla paketlenmiş bir kahve tuğlası gibi sert bir şekle bürünür. Araştırmacılar, programlanmış sıralarda ayrık bölümlere vakum uygulayarak, yumuşak robotların sertleşmesini ve belirli şekillerde hareket etmesini sağlayabilir.

Ekip, en çok şekli hafızalı alaşımlar (SMA'lar) adı verilen malzemeler kullanarak yapay kaslar oluşturmakla ilgilenmiştir. Isıtıldıklarında, SMA'lar önceden tanımlandığı şekilde deforme olur ve "hafızalarına kaydederler". SMA tellerini yaylara dönüştürülmüştür ve ısıtmak için elektrik akımı geçirilmiştir. bu da yayların kas kasılmalarını taklit edecek şekilde bükülmesine neden olmuştur. Ahtapot projesi için ekip, gerçek bir ahtapotun uzuvlarında bulunan uzunlamasına ve enine kasları desteklemek için SMA yaylarını kullanarak prototip bir kol yapmıştır . Farklı yay setlerinden akım göndererek, su altı kolunun birden çok noktada bükülmesini, kısaltılmasını ve uzamasını, hatta nesneleri kavraması sağlanmıştır.

Çalışma, öncelikle yumuşak robotiklerin potansiyelini göstermeyi amaçlıyor ve robot ahtapot laboratuvardan çıkmaya hazır olmadan önce çok iş varmış. Örneğin, uzuvlarında sensörler bulunan bir bot, konumu ve karşılaştığı malzemeler hakkında geri bildirim sağlayabilir ve bu da daha iyi kontrol stratejilerine yol açabilir. Massachusetts'teki Worcester Polytechnic Enstitüsü'nden bir araştırma ekibi, proprioseptif sensörleri robotik bir yılana yerleştirerek bu sorunu ele alıyor .

Sekiz hünerli kolu olan gelişmiş bir robot ahtapotun vahşi doğada nasıl performans gösterebileceğini hayal etmek eğlenceli. Akan sudan enerji elde etmek için deniz tabanına gelgit türbinleri yerleştirmeye büyük ilgi duyulan deniz enerjisi endüstrisini ele alalım .Ancak makine bozulursa, onarımlar zor ve pahalı olacaktır: İşçilerin türbinleri yüzeye çekmesi veya insan dalgıçları aşağıya göndermesi gerekir. Belki bir gün onun yerine bir sekizli bot teknisyeni gönderilebilir. Çevik uzuvları ile aletleri hareket ettirebilir ve kırılanları onarabilir.

Robotikçiler ahtapotlarla sadece uzuvları ve kasları için ilgilenmez - ayrıca onun özel zekasına da değer verirler. Ahtapotun beyni ve periferik sinir sistemi, diğer yumuşakçalara kıyasla iyi gelişmiştir, ancak yine de oldukça sınırlıdır. Sekiz bağımsız kolla çok çeşitli hareketleri kontrol edebilmeleri olağanüstüdür. Bu yüzden, Ahtapot projesi kapsamındaki bir sonraki görev, hayvanın kollarını nasıl kontrol ettiğini incelemek olmuş. Sonuçların, esnek bir robotun karmaşık hareketlerini yönetmenin yollarının bulunmasına yardımcı olması hedeflenmiştir.

Biyologlar, ahtapotun beyninin bükülen uzuvlarının her küçük hareketi için yukarıdan aşağıya komutlar vermediğini belirlediler. Octopus vulgaris , genel de bulunan bir ahtapot türü, beyni aslında periferik sinir sisteminden çok daha az nöron barındırır. Biyologlar, beynin hareketleri başlattığına, düşük motor merkezlerinin ise kesin nöromüsküler(neuromuscular) aktiviteyi kontrol ettiğine inanıyor. Deneyler, bir ahtapotun beyninden inen sinirleri kesseniz bile, kollarının yine de hoş olmayan uyaranlardan geri çekilebileceğini ve sanki bir şey kapacakmışcasına uzanabileceğini göstermiştir .

İşte daha da ilginç bulduğumuz şey: Ahtapotun uzuvlarının istenen hareketi üretmek için kapsamlı komutlara ihtiyacı olmaması. Milyonlarca yıllık evrim sayesinde vücutları, çevrelerine belirli otomatik ve faydalı yollarla yanıt verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu kavram robotikçiler tarafından genellikle morfolojik hesaplama olarak adlandırılırken, yapay zeka araştırmacıları bunu somutlaşmış zeka olarak adlandırır. Bu ilke robot dünyasına çevrildiğinde ise robotlarımızı, vücutlarının fiziksel özelliklerinin otomatik olarak istenen hareketleri üretmesi için tasarlamamız gerektiği anlamına gelir. Bu strateji ile son derece basit komutlar, bir robotun karmaşık görevleri verimli bir şekilde gerçekleştirmesine neden olabilir.

Deniz tabanı boyunca sürünebilen bir robot ahtapot yapılmaya ilk başladığında bu prensip göz önüne alınmıştır. Gerçek hayvanın hareket stratejisini incelendi ve sürünmek için dört aşamalı bir prosedür kullandığını belirlenmiştir. Önce vantuzlarla kaplı arka bacaklarından birini dibe bağlanır, ardından, vücudunun geri kalanını ileri doğru itmek için bu bacağı uzatır. Üçüncü aşamada, uzvunu deniz tabanından ayırmak için vantuzlarını yukarı çeker. Ve son olarak, vücuduna yaklaştırmak ve bir sonraki itmeye hazırlanmak için uzvu kısaltır. Hayvan, kollarından ikisi bu eylemleri zarif bir sırayla gerçekleştirirken öne doğru dalgalanır.

Bu hareket biçimini taklit etmek için, sekizli botumuzun her biri herhangi bir noktada bükülebilen sekiz kolunu kontrol etmek için çok sayıda hesaplama yapması gerekecek gibi görünebilir. Tipik bir robotta, bir uzuv için her bir serbestlik derecesi, bu yönde hareketi yürütmek için bir aktüatör ve aktüatörü yönetmek için bir çeşit sayısal kontrolör gerektirir. Ancak robotik kollar, normal kontrol stratejisini uygulamak için fazlasıyla serbesttir.

Evrim örneğini takip edilmiştir ve karmaşık kontrol girdileri gerektirmeyen kollar yapmaya karar verilmiştir. Herhangi bir şey inşa etmeden önce, kullanılan malzemenin yoğunluğu, sertliği, şekli, yapay kaslarının iç yerleşimi vb. dahil olmak üzere kol tasarımının çeşitli yönlerini test etmek için matematiksel modeller formüle edilmiştir. Tüm bu parametrelerin, kolların su altında nasıl bir performans göstereceği bağlamında incelenmesi gerekmişti. “Bu kollar farklı tuzluluk oranları ve sıcaklıklara sahip suda nasıl idare eder?”,” Artan derinlik ve basınç onları nasıl etkiler?”, “Akıntılar ve türbülans hareketlerini nasıl etkiler?” gibi soruları cevaplamak için modellere hidrodinamik faktörler eklenmiştir. Ayrıca üzerinde sürünecekleri yüzeylerin dokusunu ve bileşimini de göz önünde bulundurulmuştur.

Modeldeki tüm bu parametrelerle, optimum kombinasyonu bulma görevi, herhangi birinin deneme yanılma yoluyla hesaplayamayacağı kadar karmaşık hale gelmiştir, bu yüzden çok çeşitli olasılıkları keşfetmek için evrimsel bir algoritma kullanılmıştır. Bu algoritma ise her biri kendine özgü özelliklere sahip birçok varsayımsal ahtapot vücut şekli oluşturarak başlanmıştır. Daha sonra modellerde hangisinin en iyi performans gösterdiğini görmek için bu ahtapotların kollarını test edilmiş ve yeni bir olasılıklar kümesine ilham vermek için "en uygun" uzuvların özelliklerini kullanılmıştır. Bu şekilde, doğru miktarda itici güç üretecek ve istenen sürünme hareketini üretecek bir düzenleme belirlenmiştir.

Sonuçlar oldukça olumluydu: Özellikle, sekizli kollu Octo- botu kontrol etmek basit ve gerçek bir ahtapotta gözlemlenen dört aşamalı sürünmeyi taklit edilebilmiştir. Malzemeler yerine kontrol mekanizmalarını sergilemeyi amaçlayan bu prototip için SMA'ları değiştirilmiştir ve bunun yerine kabloları yapay kaslar olarak kullanılmıştır. Her bir silikon kauçuk kol, kolu uzatan veya kısaltan bir çelik kablo ile tutturma ve ayırma adımları için kolu büken (ve ayrıca robotun nesneleri kavramasını sağlayan) bir karbon fiber kablo içermektedir. Her koldaki basit bir servo motor güç sağlamıştır.

Tasarım sırasında çok sayıda karmaşık hesaplama yapılmıştır. Ancak robot hareket halindeyken, sadece basit bir “beyin” ya da mikro denetleyiciye sahipmiş, bu da octo-botun vücudunun mekanik özellikleri nedeniyle sürünmesini sağlamak için kolları doğru sırayla tetiklemiştir. Octo-bot morfolojik hesap sonuçlarını ise iş başında göstermiştir.

2012 yılında, BioRobotics Enstitüsü'ndeki ekip Poseidrone adlı ilgili bir projeye başlamıştır . Bu girişim için, öğrenilen her şeyi yalnızca nesneleri tarayıp kavrayabilen değil aynı zamanda yüzebilen yumuşak bir su altı robotu yaratmak için uygulamaya karar verilmiştir.

Robota yüzme yeteneklerini kazandırmak için bir kez daha morfolojik hesaplamaya başvurulmuştur. İşin sırrı ise ahtapotun suyla dolduğunda şişen, sonra da suyu fırlatmak ve jet itme gücü oluşturmak için büzüşen kafaya benzeyen kısmı olan octo-bot' un mantosunun tasarımıdır. Yine silikon mantonun boyutunu, şeklini ve malzeme özelliklerini belirlemek için bilgisayar modelleri kullanılmıştır , yapının suyu dışarı atarken deforme olacağına dikkat edilmiştir. Algoritma, yalnızca bir küçük motor ve birkaç basit kabloyla octo-bot’ u suya gönderecek en uygun kombinasyonu üretmiştir.

PoseiDrone prototipi ile bir nesneyi taşırken sürünmek ve yüzerken bir dizi patlamayla kendini itmek gibi çeşitli görevleri yerine getirme yeteneğini incelenmiştir. Bu prototip, açık havada nasıl başarılı olacağını görülmesi amacıyla Akdeniz'e fırlatılmıştır. Robotun karşılaştığı öngörülemeyen yüzeyler, dalgalar ve akımlarla başa çıkmasını izlemesi ise oldukça keyifli! PoseiDrone robotu yakında İtalya'nın Livorno kentindeki akvaryumdaki bir tankta - gerçek bir ahtapotun hemen yanında yerini alacak!

Kaynak:

►ieee.spectrum