Biyolojiden Esinlenen Mühendislikle Üretilen Robot Böcekler, Her Geçen Gün Daha da Gelişiyor!

Teknolojinin ilerlemesine bağlı olarak, robotik sahasında yapılan atılımlar da hızla gelişmektedir. Bu sahada yapılan en önemli atılımlardan birisi, mikro hava araçları (MHA) olarak da bilinen, böcekleri taklit ederek üretilen, uçan robotlardır.

Mikro Hava Araçları, boyutları 5-15 cm arasında değişen, sivil ve askeri kullanım alanları bulunan ve boyutlarının avantajı sayesinde, farklı robotik mekanizmaların çalışamayacağı elverişsiz koşullarda ve dar alanlarda çalışabilen insansız hava araçlarıdır. Bu araçlara, amaca bağlı olarak farklı donanımlar eklenebilir. Örneğin gözlem amaçlı üretilen bir MHA üzerine kameralar, erişmesi güç bölgelerdeki çeşitli fiziksel özellikleri tespit etmek amacıyla üretilen bir MHA üzerine, amaca uygun sensörler eklenebilir.

MHA'lar, kanat tiplerine göre farklı tasarımlara sahip olabilirler. Bu tasarımlar genel olarak sabit, döner ve çırpan kanat olarak üçe ayrılır. Sabit kanat ve döner kanat araçlar günümüzde yoğun kullanılmasına rağmen, çırpan kanat araçların bize farklı koşullarda sağlayabileceği önemli avantajlar ve dezavantajlar bulunmakta. Ayrıca çok "havalılar".

Wyss Institute

Kuşlar, Böcekler ve... Robotlar?!

Uçan bir araç hayal etmemiz istendiğinde, muhtemelen herkesin aklına ilk gelecek araç uçaklardır. Uçaklar itki kuvvetlerini motorları sayesinde, taşıma kuvvetlerini ise kuş benzeri kanat şekilleri (airfoil) sayesinde oluştururlar. Uçaklar için en verimli uçma yöntemi budur; fakat doğada uçan canlılar itki kuvveti oluşturmak için farklı (ve çoğu durumda daha verimli) bir yöntem kullanırlar: kanat çırpmak.

Böcekler ve kuşlarda, farklı uçuş koşulları altında, bağımsız olarak benzer hareket biçimini evrimleşmiştir. Aralarında olan bu farkı algılayabilmek adına, bir martı ve bir sineği kıyaslayabiliriz: Martılar sineklere göre geniş ve esnek olmayan kanatlara sahiptir, çoğunlukla yüksek hızlarda ve kararlı uçan kuşlardır. Sinekler ise oldukça esnek kanatlara sahip, çoğunlukla düşük hızlarda ve kararsız uçan böceklerdir. İki canlıyı gözlemlediğimiz zaman, sineklerin martılara kıyasla çok daha fazla kanat çırptığı ve neredeyse hiç süzülmediğini görürüz. Bu davranışlar bize aslında kanat çırpma hareketinin hangi koşullarda hangi canlılara avantaj veya dezavantaj olduğunu gösteren önemli ipuçlarıdır.

Robotlar, Böcek ve Kuşlardan Neler Öğrenebilir?

Uçan böcekleri yeterince gözlemlediğimize göre, bu gözlemleri nasıl bir mekanizmaya dönüştürebiliriz, onu düşünelim.

Bu tasarım sürecinde üç tane önemli kısım var: beyin, omurga ve kanatlar. Aracın "beyni" diyebileceğimiz parça bir "uçuş kontrol kartı"dır; fakat bu yazıda aracın kontrolünden ziyade, uçmak için gerekli kuvvetleri oluşturacak parçaların tasarımına odaklanacağız. Yani "omurga" diye adlandırdığımız uçma mekanizması ve kanatlara...

Aslına bakarsanız, kanat çırpma hareketini taklit etmek çok karmaşık bir mekanizma tasarımı gerektirmiyor. Bir sürgülü krank ve bağlı olduğu bir dört kol mekanizması ile bu hareket taklit edilebilir. Bu, yaklaşık olarak aşağıdaki gibi görünür.

iopscience

Kanatlara geldiğimizde ise durum biraz daha farklı: Önceki kısımda belirttiğimiz gibi, böceklerde kanat yapıları, büyük kuşlara göre daha esnektir. Bunu taklit etmek için farklı yöntemler denenen ve Experimental Mechanics adlı dergisinde yayınlanan bir araştırmada, farklı esnekliklerdeki üç malzemenin robot böceklerinin kanatları üzerindeki etkileri gözlemlendi.^[2] Sonuçlar, kuşlar ve böceklere yönelik önceki gözlemlerimiz ve çıkarımlarımızı destekler nitelikte.

İlk olarak yapılan deneylerde süzülerek yapılan uçuşlar farklı hız ve hücüm açılarında gözlemlenmiş. Bu deney sonucunda düşük hücum açılarında yapılan deneylerde, tüm hız aralığında, taşıma/sürükleme kuvvetleri oranı en yüksek olan kanat, en rijit (esnemez) olan kanat olmuştur. Çırpma hareketi ile yapılan uçuş deneylerinde ise, türetilmiş bir parametre ile uçuşun kararlılık rejimi incelenmiş ve buna bağlı olarak sonuçlar elde edilmiştir. Uçuşun kararsız bir rejim gösterdiği aralıkta aerodinamik özelliklere en çok katkı yapan kanat, en esnek olan lateks kanat olmuştur. Bu deneyler sonucunda, düşük hızlarda ve kararsız uçan bir araç için en uygun kanat malzemesi, aracın boyutlarına ve oluşan kuvvetlere uygun esneklikte seçilecek olan malzemedir.

Kanadın malzemesi seçildikten sonra önemli bir parametre de kanadın şeklidir. İşin içinde akış olan her tasarımda, parça geometrisi çok önemli bir parametre olarak karşımıza çıkıyor. Bioinspiration & Biomimetics dergisinde yayınlanan bir diğer makalede, bir mikro hava aracının kanatlarının en uygun şekilde nasıl tasarlanabileceği deneysel bir şekilde çalışıldı.^[1] Bu makalede kanatların kamburluk açısı, açıklık (en/boy) oranı, koniklik oranı (İng: "taper ratio") ve yüzey alanı değişken olarak belirlenmiş ve çırparak uçmaya en uygun kanat şekli tespit edilmeye çalışıldı. Aşağıda, farklı parametreler göre belirlenen en uygun değerleri görebilirsiniz.

iopscience

Yapılan deneyler ve optimizasyon sonucu, 5. ailedeki yamuk şeklindeki kanatların, çırparak uçma için en verimli kanatlar olduğu sonucu elde edildi. Ayrıca bu kanadın parametrelerinin değerleri, sinek kuşu (İng: "hummingbird") olarak bilinen oldukça küçük bir kuşun kanatlarının parametreleri ile oldukça yakın değerler olduğu makalede belirtiliyor.

Hangarda Neler Var?

Daha önce çalışılmış ve halihazırda çalışılmakta olan bir çok mikro hava aracı bulunmakta. Bu araçlardan bazıları: DelFly Nimble, Harvard Robobee,ve Nano Hummingbird.

DelFly Nimble

Hollanda'da TU Delft tarafından geliştirilen DelFly Nimble geliştirilen en "becerikli" araçlar arasında. Nimble 29 gram ağırlığında ve 33 cm kanat genişliğinde ve tam bir şarjla 5 dakikalık bir uçuş gerçekleştirebiliyor. Oldukça verimli uçan bu araç, 3 m/s hızında ve 1 km çapında iletişimi kaybetmeksizin uçuşlar gerçekleştirebiliyor. Robotun itki/ağırlık oranı 1.3 civarlarında ve araç 4 grama kadar faydalı yük taşıyabilmekte (kamera, çeşitli sensörler vs.). Aracın ulaşabildiği en yüksek hız ise 7 m/s.

Harvard Robobee

Harvard Robobee, Harvard Üniversitesi Wyss Enstitüsü tarafından geliştirilen, gerçek bir arı boyutlarında olan bir mikro hava aracı. Aracın ağırlığı 80 miligram ve kanat açıklığı ise sadece 3 cm. Geliştirilen bu araç, şimdiye kadar insan eliyle yapılmış en küçük ve en hafif uçan robot. Bu boyutlarda minik bir türbülans oldukça etkili olabildiği için Robobee çok hızlı tepkiler verebilecek şekilde tasarlanmış. Robobee ilk tasarlandığı haliyle iki tane önemli tasarım problemi içeriyor, bunlar : Mikroçiplerin bile bu araca sığmıyor olması ve gerekli gücü sağlayabilecek bir batarya.

Nano Hummingbird

Nano Hummingbird, AeroVironment tarafından askeri amaçlarla geliştirilmiş bir mikro hava aracı. Bu araç özellikle dış kaplamasının bir sinek kuşuna oldukça benzemesi sonucu oldukça ilgi çekici. Bu kaplama, araç askeri amaçlarla geliştirildiği için kamuflaj amacıyla tasarlanmış. Araç 19 gram ağırlığında ve 16 cm kanat açıklığında. Araç iç ve dış ortamlarda görev yapmaya elverişli tasarlanmış ve 2.5 m/s hızında gust rüzgarlarını karşı uçabiliyor. Aracın ulaşabildiği maksimum hız 10 m/s ve 1 km'lik bir çapta uçabiliyor.

Sonuçlar

Böcek tipi mikro hava araçları hem çırpar kanat tasarımlara sahip oldukları için hem de oldukça küçük boyutlarda çalışmalar gerektirdikleri için uygulamalı bilimlerin gelişmesinde önemli bir etki sahibi olabilir. Bu araçların tasarımında, modellenmesinde, kontrolünde ve imalatında hala çalışılması gereken oldukça fazla konu var. Şimdiye kadar operasyonu zor olan koşullarda çalışabilecek araçlar geliştirmek ve bu araçları çeşitli alanlarda kullanmak mümkün.

Doğal gözlemlerden yola çıkarak tasarım yapmak ve bunları belirli bir amaca yönelik şekilde uygulamak insanlığın fiziksel sınırlarını aşmasını sağlamakta. Doğa her zaman insanlar için önemli bir esin kaynağı olmuş ve olmaya da devam edecek. Bu yazıda bahsedilen çalışmalar biyotaklit alanında ne kadar gelişme katedildiğini gösterir nitelikte. Bu çalışmalar her zaman olduğu gibi hızla devam ediyor ve insanlık gün geçtikçe kendi fiziksel sınırlarını daha da genişletiyor.