Evrim'i Destekleyen/Kullanan Bilimler - 9: Mühendislik, Biyomühendislik, Biyomimikri

Yazdır Evrim

Evrimsel biyolojinin uygulama alanları her geçen gün katlanarak artmaktadır. Kimi zaman bu alanlar öylesine uç noktalara gitmektedir ki, insan ister istemez şunu sormaktadır: Halkın halen bu kadar bilgisiz (ve dolayısıyla konuya karşıt) olduğu bir alan, nasıl olur da bu kadar fazla bilim ve teknoloji sahasını, bu kadar kökten etkileyip, değiştirip, güçlendirebilir? Aslında cevap basittir: Biz insanların bir gerçeğe inanmıyor oluşu, o gerçeği daha az gerçek yapmaz. Yanlış hiç yapmaz. Gerçek, gerçektir. Evrim, doğanın en temel yasalarından, en temel gerçeklerinden birisidir. Bizler farkında olmayabiliriz; ancak bilim insanları bu gerçeğin çok iyi farkındadır ve ondan en üst seviyede faydalanmak için ellerinden geleni yapmaktadırlar.

Bu makalemizde sizlere evrimsel biyolojinin ve genel olarak biyolojinin mühendisliğe katkılarından bahsedeceğiz. Sanılanın aksine artık bilimler arasındaki sınırlar kalmamıştır. Bir mühendis, sadece "mühendis" olamamaktadır (en azından akademik işler yürütüyorsa). Günümüzde bir mühendis fizikten ve matematikten anladığı kadar kimyadan, biyolojiden, hatta toplum bilimlerinden anlamak zorunda kalmaktadır. Mühendisliğin en uç araştırma sahaları, bundan birkaç nesil öncekilerin aklının bile almayacağı bir şekil ve miktarda biyoloji gibi çok uzak gibi gözüken sahalarla kesişmektedir. Geleceğin teknolojileri hem mühendislikten, hem temel bilimlerden anlayan uzmanlarca şekillendirilmektedir. Ne yazık ki ülkemizde halen bu teknolojik ve bilimsel devrimlerin yankıları halk arasında pek duyulamamaktadır. Bu nedenle insanlarımız bir mühendisin temel bilimlerden (örneğin evrimsel biyolojiden), bir temel bilimcinin (örneğin biyologun) robotlardan bahsedebiliyor olmasına şaşırmaktadır. Bunda şaşılacak hiçbir şey kalmamıştır. Çağımız bunu gerektirmektedir.

İşte bu bariyeri ve bilgisizliği yıkmak adına, biyolojiden esinlenen mühendislik (biyomimikri) ve genel olarak biyoloji-mühendislik etkileşimine değinmek istiyoruz. Bu makaleden edindiklerinizle etrafınızdaki insanları modern bilimin ve teknolojinin çalışma biçimi hakkında aydınlatabilmenizi umuyoruz. Eğer hep birlikte çalışırsak, koskoca bir toplumun aydınlanmasını sağlayabiliriz. 

Umuyoruz bu makale, mühendislik ve temel bilimler arasında artık yıkılmış olan bariyerleri görmeniz açısından bir yol gösterici olacaktır. İyi okumalar.




Mühendislik 101: Mühendislik Nedir? Mühendis Kimdir, Ne Yapar?

Mühendislik, hiç kuşkusuz insanın şu anda içinde yaşadığı uygarlığın oluşmasında en önemli faaliyetlerden biridir. Günlük hayatta da sık sık kullandığımız “mühendis” kelimesi, düşünülünce sınırları çok rahat çizilemeyen bir kavramdır. Bir makina mühendisi ya da inşaat mühendisini bu kavrama dahil etmek belki daha kolaydır, ancak sınırları biraz daha zorlayınca kimin mühendis, neyin mühendislik ürünü olduğunu ayırt etmek zorlaşabiliyor.

Bu iki kavramın tanımlanması için tarih boyunca pek çok girişimde bulunulmuştur. Örneğin, bir tanımda mühendislik, “sorun çözme sanatı” olarak ifade edilmiştir. Bu bağlamda bakacak olursak, günlük hayatta sıklıkla bir mühendis rolü alarak karşımıza çıkan sorunları yaratıcı yöntemlerle çözdüğümüzü görürüz. Daha spesifik bir tanımı Fransız Mühendis ve Bilim İnsanları Ulusal Konseyi, “mühendis” kelimesi için yapmıştır. Konsey’e göre mühendis;

• Toplumun beşeri, toplumsal ve ekonomik ögelerini göz önüne alarak,
• Belirtilmiş bir gereksinime, kararlaştırılmış rasyonel kriterlerden hareketle, mümkün olan en iyi yanıtı vermek üzere, (ihtiyacı mühendislik dilinde / teknik dilde yeniden tanımlayarak)
• Kişiler, soyut veriler ya da maddi araçlar organizasyonu tasarlamak, gerçekleştirmek ve işletmek,
• Bilimsel ya da teknik ağırlıklı bilgi ve yetenek / beceri kullanan bir ekonomik özellikli unsurdur.

Hem tanımlanmasının zorluğundan, hem de tanımların esnekliğinden anlayacağımız üzere, herkesin kafasında canlandıracağı bir “mühendis/mühendislik” imajının dışında kalan, ancak mühendislik aktivitesi sayılabilecek pek çok örnek vardır. Ancak hangi tanım kullanılırsa kullanılsın, hepsinin özünde olan şey, ortada bir “sorunlara çözüm üretme” faaliyetinin olmasıdır.

Sorunlara çözümler üretebilmek önemli bir kriter olsa da, tek kriter kesinlikle değildir. Getirilen çözümün aynı zamanda verimli olması çok büyük önem taşımasıdır. Ekonomi gibi insan kökenli unsurları bir kenara bırakacak olursak bile, hala Dünya’nın enerji kaynaklarının hızla tükenmekte olması gibi somut bir gerçek kalıyor. Bunun engellenmesi ve bir gün insan türünün felaketle karşı karşıya gelmesinin önlenmesi için, mühendislerin ellerinden çıkan ürünlerin, sorunu en verimli bir şekilde çözebilmesi büyük önem arz etmektedir.

Burada bazı terimlerden bahsetmekte fayda var: Bir sistemi bu şekilde en verimli hale getirme çalışmasına optimizasyon, var olan alternatiflerden en verimli çalışanına -bahsi geçen sorunu çözene- optimum denmektedir. Bu kavramlar önemli, çünkü mühendisliğin özünde var olan sorunlara en uygun (optimum) çözümleri üretmek yatmaktadır. 

NASA'nın Space Launch System (SLS, Uzay Fırlatma Sistemi) üzerinde çalışan mühendisleri...



Evrim: Tüm Zamanların En Başarılı Mühendisi

İnsan, çok uzun bir süredir bilinçli olarak sorunlara çözümler üretme çalışmalarında bulunan bir tür. Ancak sıklıkla unutulan bir nokta, aynı sorun çözme işlemini, bir bilincin etkisi olmadan doğada da görüyor olduğumuzdur ve bunu sağlayan çok güçlü bir olgu var: Evrim.

Bu kısma başlamadan önce, evrimin bireyleri değil popülasyonları değiştirdiğini hatırlatmak istiyoruz. Sizin çocukluktan yetişkinliğe geçişiniz, bu süreçte farklılaşmanız evrim değil gelişim sürecidir. Evrim dediğimiz kavram, basitçe popülasyonların genetik havuzunun yapısının, nesilden nesle değişmesi olarak tanımlanabilir.

Kısaca canlıların evrimleşmesine sebep olan mekanizmaları hatırlayalım: Bir canlı popülasyonunda, çeşitlilik mekanizmaları ile özelliklerde çeşitlilik oluşur. Farklı özelliklere sahip bireylerden oluşan bu popülasyona, seçilim baskıları etki eder. Bu baskıların çeşidine göre, ortama en iyi uyum sağlayan bireyler hayatta kalır. Örneğin, avcı baskısının yoğun olduğu bir ortamda iyi kamufle olabilen ya da hızlı koşan bireyler hayatta kalacakken, cinsel seçilim baskısının yoğun olduğu bir popülasyonda karşı cinsi etkileyebilen bireyler hayatta kalacaktır. Hayatta kalan bireylerin genleri sonraki nesillere aktarılır ve süreç bu şekilde devam eder. Dikkat edecek olursanız, hayatta kalıp üremeyi başaranların genleri de bu süreçte gelecek nesillere aktarılmaktadır. Böylece her nesilde, söz konusu "iyi genler" popülasyon içerisinde artacaktır. Bu nedenle canlı türü kademeli ve yavaş bir şekilde, nesilden nesile değişecektir. Bu değişim, çoğu zaman ortama uyum sağlamak ile sonuçlanacaktır.

Hayatta kalmaya dayalı olan bu evrim algoritması, en net görüleni ve zihinde canlandırılması en kolay olanıdır belki. Ancak şimdi, daha karmaşık, canlandırması biraz daha güç ama yine de doğada görülen bir başka algoritmaya bakalım:

Canlıların herhangi bir şeyi yapabilmek için enerji gereksinimi vardır. Bu enerji bir nevi canlının kaynağıdır: Çok enerji, çok iş. Örneğin, aynı popülasyondan iki canlıyı düşünelim, iki avcıyı, ve birinin (A) genetik olarak diğerinden (B) daha güçlü pençeleri olsun. Güçlü pençeleri olan A bireyi, daha kolay avlanacak, avlanmak için daha az zaman ve enerji harcayacaktır. Böylece, diğer B bireyi hala yiyecek peşinde koşarken, kendisi (örneğin) karşı cinse kur yapabilecek ve çiftleşebilecektir. B yine de hayatta kalabilir belki, ancak çiftleşmek ve dolayısıyla genlerini sonraki nesle aktarmak için daha az zamanı ve enerjisi olacaktır. Bu basit örnekte A’nın genlerini B’den daha başarılı bir şekilde aktarabileceğini görüyoruz. Benzer bir mantık, A canlısının B’den daha iyi bir aerodinamik yapıya sahip olduğu (bu sayede A’nın aynı enerjiyi harcayarak B’den hızlı koşabilmesi) ve bu canlıların hızlı koşmanın önemli olduğu bir ortamda yaşadığı bir bağlam düşünülerek de kurulabilir.

Üstteki iki fotoğrafta, "düzenbaz yengeç" olarak bilinen Uca mjoebergi türüne ait iki bireyin farklı nitelikteki kıskaçları gözüküyor. Alttaki iki fotoğraf, deneysel nedenlerle araştırmacılar tarafından farklı renklere boyanmış kıskaçları gösteriyor. 


Canlılar benzer yollarla bir yerden enerji tasarrufu yaparak bu enerjiyi başka yerlerde kullanabilirler. Bu tasarrufların bazıları o kadar küçüktür ki, etkisi ihmal edilebilir gibi gözükebilir. Ama en başta söylediğimizi unutmayalım: Evrim, popülasyonları değiştiren bir algoritmadır, bireyleri değil. Çok sayıda bireyin yaptığı küçük enerji tasarrufları milyonlarca yıl boyunca birikerek büyük miktarlarda enerji tasarrufu açığa çıkarabilir. Bir başka deyişle, her bireyin yaptığı tasarrufu, birey sayısı (muhtemelen en azından yüzbinlerce) ve nesil sayısı (muhtemelen en azından milyonlarca) çarpınca karşınıza büyük bir sayı çıkacaktır.

Bunlardan şunu çıkarabiliriz: Çok uzun sürede, büyük popülasyonlara etki eden bir mekanizma olan evrim, en ufak avantajları bile kayırmaya meyillidir. Ya da, bir mühendisi ilgilendireceği dille: “Evrim, sorunlara eli altındaki malzemeleri kullanarak en optimum çözümleri üretir.”

Sanırıyoruz artık başlıkta sorduğumuz sorunun cevabını verebiliriz: Doğada neden esinlenelim ki? Doğa, nasıl bizimkilerden iyi “tasarımlar” üretebilir? Bu sorunun cevabını anlamak, evrimi anlamaktan; evrimin ne kadar hassas bir süreç olduğunu, avantajlı canlıları en hassas biçimde nasıl seçtiğini, sorunlara en optimum çözümleri nasıl ürettiğini anlamaktan geçiyor. İnsan türünün doğadan hala öğrenecek çok şeyi olduğu gerçeğini kabul etmek; çözülmeyi bekleyen sorunlara çözüm bulan, çözülmüş sorunların çözümlerini de daha verimli şekilde elde eden sistemler yaratabilmemiz için kritik öneme sahiptir.

Yazının buraya kadar olan kısmında, kimilerinin bilmediği, kimilerinin yüzeysel olarak bildiği, kimilerinin ise çok iyi bildiği “mühendislik” ile “evrim” kavramlarını açıklamaya (hatırlatmaya) ve kesiştikleri bölgeyi göstermeye çalıştık. Kalan kısımda ilk olarak biyo-esinlenmiş mühendislik ve biyomimikri kavramlarından bahsedeceğim, bunların örneklerini vereceğiz ve yukarıdaki soruya üçüncü bir sebebi, “biyomimikri” tanımından hareketle açıklayacağız. En son da, biyomimikrinin belki de en geniş uygulama alanı olan biyo-esinlenmiş robotikten bahsedeceğiz.


Biyo-Esinlenmiş Mühendislik Nedir? Biyomimikri Nedir?

Biyo-esinlenmiş mühendislik, biyolojik prensipleri mühendislik problemlerinin çözümleri için uygulayan yeni bir bilimsel disiplindir. Uygulama alanları arasında tıp, ilaç sanayii, robotik, ulaşım, yazılım, endüstri, çevre ve daha birçok alan sayılabilir.

Peki, biyomimikri nedir? 2006 yılında Janine Benyus ve Bryony Schwan tarafından kurulan ve AskNature.org gibi ödüllü çalışmalara imza atan Biomimicry Institute’un web sayfasında, biyomimikri şu şekilde tanımlanıyor:

“Biyomimikri, doğanın zamanın sınavına tabii tutulmuş motiflerini ve stratejilerini örnek alarak, insanların sorunlarına sürdürülebilir çözümler arayan bir inovasyon yaklaşımıdır.”

Bu tanımdaki “sürdürülebilir” kısmı, “Doğadan neden esinlenmeliyiz?” sorusunun üçüncü cevabına götürüyor bizi. İnsanın bugüne kadar ürettiği (birçoğu dahice olan) çözümler, maalesef beraberinde çok ciddi sürdürülebilirlik sorunları getirmiştir. Janine Benyus, insanların uzun zamandır aradığı “sürdürülebilir bir Dünya’nın” uzun zamandır var olduğunu, ancak bu soruna çözüm için nereye bakmamız gerektiğini yeni anladığımızı söylüyor.

Biomühendisliğin en ilginç çalışma sahalarından biri olan "kuru yapışkanlar" alanındaki araştırmacılar, geko kertenkelelerinin parmaklarındaki mikro ve nano boyuttaki kılsı yapılardan esinlenerek çeşitli ürünler üretmeye çalışmaktadırlar.


İnsan haricindeki hiçbir canlı, yaşarken Dünya’ya zarar vermez. Evrimsel süreçte gelişen sorun çözme yöntemleri, sorunu çözmenin ve bunu en optimize şekilde yapmanın yanı sıra, canlının bir parçası olduğu ekosistemi de canlının yaşayabileceği bir durumda tutmak üzere evrimleşmiştir. Biyomimikri yaklaşımı hakkındaki yorumunu, Apple’ın kurucusu ve eski CEO’su Steve Jobs, şu şekilde açıklamış:

“Bana göre, 21. Yüzyılın en büyük inovasyonları, biyoloji ve teknolojinin kesişim noktalarında gerçekleşecek. Yeni bir dönem başlıyor.”

Gerçekten de, gün geçtikçe hem Türkiye’de, hem de Dünya’da biyomimikri ve biyo-esinlenme uygulamalarının arttığını görüyoruz.

Burada küçük bir bilgiye yer verelim: Biyo-esinlenmiş mühendislik, biyo-destekli teknoloji ile karıştırılmamalıdır. Biyolojik organizmaların kullanıldığı uygulamalar –örneğin, suların temizlenmesi- biyo-esinlenme sayılamaz. Bu, biyo-destekli teknolojidir, bir işin yapılması için başka bir organizmanın kullanılmasıdır.

Biyo-esinlenmenin 21. Yüzyıl teknolojisinin gelişiminde büyük rol oynayacağı aşikar. Peki, bugüne kadar bunun hangi uygulamalarını gördük?


Doğadan Neleri Örnek Aldık?

• Bullet train (Mermi Treni): Oldukça basit, açık ve popüler bir örnekten başlamayı uygun görüyoruz. Aşağıdaki fotoğrafta gördüğünüz tren, “bullet train” isimli bir yüksek hızlı trendir. Tren, çıktığı yüksek hızlar dolayısıyla, tünele girerken bir basınç dalgası oluşturuyordu. Tünelden çıkarken de bu basınç dalgası, bir ses patlamasına sebep oluyordu.



Bu sorunun çözümünde, yalıçapkını isimli bir kuş türünün (alttaki görsel) gaga yapısından esinlenildi. Yalıçapkını, sudaki balıkları yakalamak için suya girerken, bir ortamdan farklı basınçtaki başka bir ortama geçer, ancak buna rağmen etrafa çok az miktarda su sıçratır. Bu sayede, balıkları rahatlıkla görebilir ve kolaylıkla avlanabilir. Bunu sağlayan, kuşun gagasının aerodinamik yapısıdır.




Trenin burnunun tasarımında bu gaga şekli örnek alındı ve sorunun çözüldüğü gözlemlendi. Ayrıca, tren bu yeni tasarımıyla %15 daha az elektrik tüketerek, %10 daha hızlı gidebiliyor.


• Karbondioksit: Biz karbondioksiti zehirli bir gaz olarak görürken, kimi canlılar bunu bir yapı malzemesi olarak görür.
En bilindik örneği bitkilerdir. Bitkiler, karbondioksiti besin yapıtaşı olarak kullanırlar. Şu anda Tisch Üniversitesi’nde profesör olan Geoffrey W. Coates, bitkilerin CO2’den büyük molekülleri sentezleme şeklini örnek alan bir yöntem ile, CO2’den polikarbonatlar yapmanın bir yolunu buldu. Bu polikarbonatlar, geri dönüştürülebilir plastik yapımında kullanılıyor.

Kabuk ve mercan yapan canlılar da CO2’yi yapı malzemesi olarak görüyorlar. Amerika’da, Clara adlı bir çimento üretim fabrikası, tariflerini mercan resiflerinden aldı. Bu şekilde, çimento ve betonda CO2 bir yapı malzemesi olarak kullanılıyor. Normalde bir ton çimento bir ton CO2 açığa çıkarırken, bu tarif sayesinde bu CO2’nin yarım tonu tutuluyor.


Güneş Enerjisi: OneSun adlı bir şirket, yaprağın çalışmasından yola çıkan bir güneş pili üretti. Pil oldukça ucuz ve her beş yılda bir şarj edilebiliyor. Aynı şirketin; depoculuk, imalat, gıdaların işlenmesi, tarım gibi alanlarda da güneş enerjisini kullanıldığı çalışmaları var.


Enerji Kullanımı: Yazının girişinde de bahsettiğimiz sebeplerden dolayı, organizmalar için enerji kullanımının optimizasyonu, evrimsel süreçte kritik öneme sahiptir. Bunun mühendisliğe uygulamaları, aslında dolaylı olarak hemen her biyo-esinlenmiş mühendislik ürününde doğal bir sonuç olarak ortaya çıkıyor. Ancak, spesifik olarak bu enerji optimizasyonunu kullanan örnekler de mevcut. Örneğin, karıncalar ve arılar gibi sosyal böcek türleri. Bunların yiyeceklerini en etkili biçimde nasıl buldukları ve taşıdıkları inceleniyor ve bu incelemenin sonuçları ile evdeki akıllı cihazların birbirleriyle iletişim kurmaları için etkili algoritmalar geliştiriliyor.

Mühendisler tarafından üretilen yapay yaprak, fotosentez yaparak enerji üretebilmektedir. 



Borularda Mineral Birikimi: Boruların içinde kalsiyum karbonat birikmesini önlemek için deniz kabuklarından yararlanılıyor. Deniz kabuklarının kabuğunun oluşumu, proteinden oluşan şablonun üstünde deniz suyundan gelen iyonların birikmesi şeklinde. Ancak, deniz kabukları sonsuz büyüklükte değil, zira bu kristalleştirmeyi durduran bir proteinleri var. Borulardaki mineral birikmesini engellemek için de, bu proteini taklit eden TPA adlı bir ürün geliştirildi.


Trafik Kazalarını Önlemek: Yazının başında verdiğimiz, Fransız Mühendis ve Bilim İnsanları Ulusal Konseyi tarafından yapılan tanımda, mühendislik ürünlerinin illa maddi araçlar olması gerekmediği, bunun yanında “kişiler ya da soyut veriler organizasyonuları” da olabileceği belirtilmişti. Bu bağlamda, trafik kazalarını önleyici bir sistemin de mühendislik ürünü olduğundan bahsedilebilir.

Trafik kazalarını önleyecek bir devrede, geri besleme (feedback) sistemi önemlidir. Bu devre için, göçmen çekirge isimli bir çekirge türünün bireyleri arasındaki geri besleme sistemi, yani algılama/hissetme ve karşılık vermeyi sağlayan sistemler inceleniyor. Göçmen çekirgelerden aynı kilometrekare içinde 80 milyon tane bulunuyor, ancak hareket ederken birbirleriyle çarpışmamayı başarıyorlar. Sürücüsüz, yapay zeka tarafından kontrol edilen araçların yakın gelecekte piyasaya sürüleceği düşünüldüğünde, böyle bir devrenin geliştirilmesinin önemi daha iyi anlaşılıyor.


Yeni Canlılar Yaratmak: Biyo-esinlenmiş robotik

Biyomimikri uygulamalarının hepsi, daha gelişmiş bir teknoloji, daha verimli kullanılan enerji ve daha sürdürülebilir bir dünya açısından çok önemli olsa da, muhtemelen bu uygulamaların en popüleri (ve en heyecan vericisi) biyo-esinlenmiş robotiktir.

Biyo-esinlenmiş robotik nedir peki? Her şeyden önce, biyoloji ve robotik disiplinlerinin (ki robotik alanının da makina, elektrik, elektronik, malzeme, bilgisayar, yazılım ve kontrol gibi birçok mühendislik disiplininin birleşimi ile ortaya çıktığını unutmamak gerekir) birlikteliği ile oluşan, disiplinler arası bir alandır. Biyomimikri yöntemi ile robotikteki mühendislik problemlerine, biyolojik dünyadan aldığı fikirleri uygular. Hepimizin bilimkurgulardan iyi tanıdığı insansı robotlar, bu alana bir örnek olarak verilebilir.


Biyo-esinlenmiş robotiğin alt alanlarından birisi, biyorobotik modelleme/analizdir. Bu alanda yapılan çalışmalarda bir tersine mühendislik söz konusudur. Robotik modeller ve prensipler biyolojik durumlara uygulanır ve  bu modeller/prensipler biyolojik sistemlerin çalışmasının araştırılmasına yardımcı olur. Örnek olarak, insan beyninin algılama işleminin, hayvan davranışlarının, robot balık kullanılarak balıkların yüzme dinamiklerinin, biyonik kol kullanılarak insan kolunun kontrol mekanizmasının incelenmesi verilebilir. Bu alan, bu yazının konusuna tam olarak girmediği için detaylarına çok fazla girmiyoruz.

Biyo-esinleniş robotiğin konuları, robotiğin hemen her teknik açısını kapsar. Bunların arasında biyo-esinlenmiş tasarım, kontrol, hareket ve hissetme sayılabilir.


Biyo-esinlenmiş robot tasarımı

Biyo-esinlenmiş robotiğin merkezindeki problemlerden birisi, hayvanların hareketlerini taklit eden robotların mekanizmalarını tasarlamaktır. Maalesef, bu kulağa geldiği kadar kolay bir şey değil.

Örneğin, kaslar kadar sofistike aktüatörler (bir mekanizmayı veya sistemi kontrol eden veya hareket ettiren motorlar), dokular kadar yumuşak malzemeler ya da hayvanlardaki bağlantılar kadar karmaşık ama yumuşak hareketler sağlayabilen bağlantı noktaları, günümüzdeki teknoloji ile geliştirilemiyor. Bu sebeple karşımıza, sahip olduğumuz mekanik yapıları kullanarak biyolojik hareketi nasıl mimikri edeceğimiz gibi bir sorun çıkıyor.

Bu yüzden, biyolojik harekete benzer hareket elde edebilmek için basitleştirilmiş mekanizmalar geliştirmek, mühendislerin karşısına önemli bir problem olarak çıkıyor.

Örneğin, gerçek bir yılan ile bir robot yılanı basitçe karşılaştıralım. Yılan öne ve geriye hareket ederken bedeniyle yer arasındaki sürtünmeyi kullanır. Vücudunun şeklini değiştirerek hızını değiştirir. Bu kadar devamlı ve özgür bir hareket yapan bir mekanik yapı tasarlamak zor olduğu için, var olan robot yılanlar, birbirlerine bağlı, hareket eden bir segment serisi içermektedir. Ayrıca yılanlar, derisi sayesinde toprakta kayabilmektedir, ancak günümüzdeki teknoloji ile böyle bir deri yapılamayacağı için, yılan robotların segmentlerine yerleştirilen tekerlekler ile bu hareket sağlanır.


Biyo-esinlenmiş robot tasarımının yine tipik örneklerinden birisi, bacaklı robotlar. Hayvanların hareketlerini incelenerek tasarlanan bacaklı robotlar, oldukça popüler. İki bacaklı robotlar, insansı robotlar, dört bacaklı robotlar, ve hatta on iki bacaklı robotlar bile var. Bacaklı robotlar, tıpkı hayvanların yaptığı gibi bacaklarını kaldırıp ileri veya geri hareket ettirerek hareket ediyorlar.


Biyo-esinlenmiş robot kontrolü

Hayvanlar ve diğer organizmaların davranışları, robotların hareketlerini ve davranışlarını kontrol etmekte kullanılıyor.
Prensip olarak robotik ve biyolojik kontrol sistemleri benzerlikler içeriyor. İkisi de “duyusal motor kontrol” (duyulardan gelen sinyallerin işlenip harekete dönüştürülmesi) temeline dayanıyor.

Biyolojik sistemlerden kaslar, kısaca, biyolojik sensörlerden (göz kulak deri burun vs) toplanan bilgilere göre kasılıp gevşemesi ile kontrol ediliyor. Benzer şekilde, robotik sistemler de robotik sensörlerden gelen bilgiler temel alınarak kontrol edilir. İki sistemin de altında yatan prensip geri besleme kontrolüdür.
Biyo-esinlenmiş robot kontrolün tipik örneklerine davranış kontrolü ve akıllı kontrol metotları (örneğin genetik algoritmalar ve sürü kontrolü) verilebilir.

• Davranış kontrolü: Geleneksel olarak araştırmacılar mobil bir robotun kontrolü için hissetme-algılama-planlama-kontrol prosedürünü izlemişlerdir. Bu metotta sıralama şu şekildedir;

1) Robot sensörleri ile bilgi toplar
2) Toplanan bilgi işlenir ve yorumlanır
3) Yorumlanan bilgiler temel alınarak hareket planlanır
4) Robot bu planlanmış hareketi gerçekleştirir.

Ne var ki bu ardışık yaklaşım, bilgiyi işleyip yorumlamak ve hareketi planlamak çok fazla zaman aldığı için bazı durumlarda pek kullanışlı olmayabiliyor.

Davranış kontrolü ise tepkisel kontrol fikrini benimsiyor; ki bu da, biyolojik sistemlerin tipik bir özelliğidir.
Örneğin insan vücudu bir uyaranla karşılaştığında hemen tepki verir. Eliniz sıcak bir tencereye çok yaklaştığında, sıcaklığı hisseder hissetmez onu ısı kaynağından çekmeniz gibi.

Davranış kontrolünde birkaç ilkel davranış vardır. Bunlar, sensörler ya da sensör gruplarından toplanan bilgilere tepkisel cevaplardır. Bu ilkel davranışlar hiyerarşik bir yapıda düzenlenmiştir ve bu sayede aralarındaki koordinasyon kolaylıkla sağlanır.

Aşağıdaki şekilde bir keşif robotundaki davranış kontrolü örneğini görüyorsunuz:


• Genetik algoritmalar: Biyolojik sistemlerin evriminden esinlenilmiş bir optimizasyon metodudur. Optimum çözümün aranması için evrim algoritmalarını kullanır. Robotikte optimum kontrol, planlama vb. konularda uygulamaları görülebilir. Aşağıdaki görsel, basit bir genetik algoritma örneği sayılabilir.


• Sürü kontrolü: Tek bir karıncanın yiyecekleri taşıma konusunda çok sınırlı bir kabiliyeti varken, bir karınca grubu çok büyük miktarlarda yiyeceği taşıyabilir. Sürü kontrolü; karıncaların grup davranışlarından esinlenilen, birden çok robotun toplu davranışını kontrol etmekte kullanılan bir yöntemdir.


Biyo-esinlenmiş hareket

Kaslar, kas liflerinin kasılması ile kuvvet üretirler. Kaslara benzetilen robotik aktüatörler yapma çabası uzun zamandır robotik biliminin hedeflerindendi.

Bu konuda “Rubbertuator”den bahsetmemek olmaz. Rubbertuator, insan kaslarına benzer özellikler taşıyan ilk ticari aktüatördü. (1985’te üretildi) Lif şeritleri ile çevrelenmiş lastik tüplerinden oluşuyordu. Sıkıştırılmış havanın verilmesi veya alınması ile bu lastik tüpler kısalıyor ya da uzuyordu. 

Yakın geçmişte, daha farklı farklı tekniklerle farklı yapay kaslar geliştirildi.

Yapay kasların çok fazla potansiyel kullanım alanları bulunuyor. Robotik dışında, protez organlar için de önemli kullanım alanları var.


Biyo-esinlenmiş hissetme

Biyolojik sensörleri (göz, kulak, burun, deri vb.) temel alan robotik sensörlerin tasarımına örnek olarak robot görüşü, dokunma sensörleri, yapay kulaklar ve burunlar verilebilir.


Sonuç

Bu noktada, yazıyı bitirmeden önce, kısaca toparlamak istiyoruz.

Yazı boyunca, üç yönden biyo-esinlenmenin avantajlarını inceledik. Bu (kaçınılmaz) avantajların sebeplerini, evrimsel süreç ile ilişkilendirdik ve biyo-esinlenmiş mühendisliğin var olan uygulamalarına baktık. Bu üç avantaj şu şekildeydi:

1) Mühendislikteki birçok problemin çözümü doğada bulunmaktadır. Bunun uygulamasına örnek olarak, “bullet train”in tasarımını ve borulardaki mineral birikiminin önlenmesinde kullanılan TPA proteinini verebiliriz.

2) Evrimsel süreç bu problemleri, en optimize şekilde çözen bir süreçtir. Bunun uygulamalarına örnek olarak evdeki akıllı cihazların iletişiminde sosyal böcek türlerinden esinlenmeyi ve robotlardaki geleneksel hissetme-algılama-planlama-kontrol prosedüründen, davranış kontrolüne geçişi örnek verebiliriz.

3) Evrimsel süreç sorunları, canlının bulunduğu ekosisteme zarar vermeyecek şekilde çözmüştür. Biyo-esinlenmiş mühendislikte belki de en son önemsenen kriterler olmakla birlikte, uzun vadede faydalarını en çok göreceğimiz avantajlardan biri olduğu kesin. Ayrıca bu avantaj, biz dikkat etsek de etmesek de, biyo-esinlenmiş mühendislik ürünlerinde kendiliğinden ortaya çıkmaktadır. Doğa, sorunları çözerken, canlının yaşadığı çevreyi yaşanmaz duruma getirmemesine özen gösterir, Bu bilinçli bir süreç değildir. Aksine, kaçınılmaz bir doğal süreç olan evrimin beklenilen bir sonucudur. Buna örnek olarak OneSun firmasının güneş pilini örnek verebiliriz.


Sonuç olarak, mühendislikte biyolojik sistemlerden ilham almanın öneminin özellikle son dönemde daha iyi anlaşıldığını görüyoruz. Bunu başarabilmek, tasarım masasında biyolog ve mühendis beraber oturabilmek; sorunların daha hızlı, etkili ve temiz bir şekilde çözülmesine giden kapıyı aralayacaktır.

Yazan: Zeki Doruk Erden (Evrim Ağacı)

Düzenleyen: ÇMB (Evrim Ağacı)

Not: Bu alanda doktora düzeyinde çalışmalar yürüten Evrim Ağacı kurucusu ve idari sorumlusu ÇMB ile yapılan konuyla oldukça ilgili ve burada verilen bazı örnekleri daha detaylı ele alan bir röportajı buraya tıklayarak okuyabilirsiniz. 

Kaynaklar ve İleri Okuma:
  1. Biorobotics : methods and applications / edited by Barbara Webb and Thomas R. Consi. Publication Info. Menlo Park, CA: AAAI Press/MIT Press, 2001.
  2. Biologically inspired robotics / editors, Yunhui Liu and Dong Sun. Publication Info. Boca Raton, FL : Taylor & Francis/CRC Press, 2012.
  3. Bioengineering : principles, methodologies and applications / editors, Audric Garcia and Ciel Durand. Publication Info. Hauppauge, NY : Nova Science Publisher's, 2010.
  4. Janine Benyus, Biomimicry's Surprising Lessons from Nature's Engineers, TED Talks
  5. Janine Benyus, Biomimicry In Action, TED Talks
6 Yorum