Doğa, Taklit ve Teknolojinin Birleştiği Nokta: Biyomimetik

Gün içinde bin bir zorlukla karşılaşır ve onların üstesinden gelmek için elimizden geleni yaparız. Neyse ki elimizin altında internet var! İhtiyacımız olan her çözümü parmak hareketlerimizle ekranlarımıza taşıyabiliyoruz. Sonrası ise basit: Videoyu aç, yapılanları tekrar et. Yani ekranın diğer tarafındakini taklit et. 

Taklit doğumumuzdan itibaren bizlerle olan, iletişim kurmamızı, öğrenmemizi sağlayan ve yaşamımızı kolaylaştıran bir davranıştır. Aynı sözcükleri “teknoloji” için de kullanabiliriz. Onun yardımı ile iletişim kurarız, öğreniriz ve karşılaştığımız sorunları kolayca çözeriz. Taklit ile teknoloji bir araya gelince ise işler çok daha kolay oluyor. 

Da Vinci’den Günümüze

Uçmak birçok dilde ve birçok kültürde özgürlüğü temsil eder. Doğadan kopup gelen insanın genlerinde de özgür olma isteği vardır; göç etmek ister, keşfetmek ister. Ve uçmak eskiden beri insanın içinde bir ukdedir. Tarihte birçok uçma girişimi görmek mümkün. MÖ 400’lü yıllarda Yunanlıların geliştirdiği 200 metre kadar uçmuş olduğu düşünülen aletten tutun da Abbas İbn Firnas, Leonardo da Vinci, Sir George Cayley, Wright Kardeşler’e kadar niceleri uçuş girişiminde bulundu. Fakat Da Vinci ile uçma girişimlerinin bir adım daha ileri taşındığı düşünülüyor. Çünkü bulgulara göre Da Vinci tasarladığı makineyi kuşların anatomik yapısını göz önüne alarak oluşturdu. Muhtemelen ondan öncekiler de kuşlardan ilham alarak uçmayı denedi fakat elimizde onların incelemeler yapıp yapmadığına dair bulgular ne yazık ki yok. Da Vinci’nin girişimini biyomimetik alanının temeli olarak alabiliriz. Ayrıca ilk başarılı insanlı uçuşu gerçekleştiren Wright Kardeşler de, bir güvercinin anatomisini inceleyerek kendi aletlerini tasarladılar. Bunlar tarihteki ilk taklit girişimleri, günümüzde ise bu alan çok gelişti ve gelişmeye de devam ediyor. 

Biyomimetiği, insanın günlük yaşamında karşılaştığı sorunları doğayı örnek alarak, ya da taklit ederek, çözme çabası şeklinde tanımlayabiliriz. Çünkü doğa insandan çok daha yaratıcı çözümlere sahip! Bize ev sahipliği yapan gezegen üzerinde milyonlarca farklı tür var ve her türün birinci amacı hayatta kalmak. Bunu başabilmek için ise farklı özellikler evrimleştirmek zorundalar. İnsan ise bu türlerden sadece bir tanesi ve farklı özelliklere sahip olup yaşamını kolaylaştırmak için doğadaki diğer canlıları taklit etmek zorunda. Evet, aslında mühendisliğin doğa ile iç içe olan bu alanında işler doğayı ve doğadaki canlıları taklit ederek işliyor. Takip edilen sorun çözme yolları burada da aynı: Sorunu bul, gözlem yap, çözümü bul. Tabii ki bu alanda en önemli madde gözlem yapmak, Da Vinci ve Wright Kardeşler’in yaptığı gibi. 

Taklit süreci kimyayı kullanarak uzun zincirli kimyasal yapılar, moleküller, büyük yapılar ve biyolojik karakterler içeren mekanizmalar oluşturmayı içeriyor. 1940lar ve 1970ler arasında hızla gelişim sağlamasına rağmen, bu alanda bahsi geçen prosedürü takip etmek teknolojik yetersizliklerden ötürü zor oldu. Fakat milenyuma gelindiğinde artık işler daha kolaylaşmıştı. Özellikle de biyoloji ve sentetik kimyanın birleşmesi, doğal ve yapay kaynaklar kullanılarak biyomimetik moleküllerin oluşturmasını mümkün kılmaya başladı. Derken, 2003 yılında İngiliz mühendis ve biyomimetikçi Julian Vincent mikroskopik dünyayı inceleyerek makro teknolojiler geliştirilebileceğini ortaya attı. Fakat hiç kimse Vincent’ın köpek balıkları ile uğraşacağını düşünmemişti. 

Doğal Çözümler

Makroskopik bakış açısından incelendiğinde, köpekbalıklarının derileri otomobil ve spor alanlarına büyük katkıda bulunabilir. Derilerinin biyokimyasal yapısı sürtünmeyi azaltma özelliğine sahip, bu da yüzücülere daha hızlı yüzme imkanı sağlayabilir. Ayrıca bu özellik otomobil sanayisinde kullanıldığında ise daha iyi performans daha az zarar demek oluyor. Fakat Vincent olaya çok farklı yaklaştı, makroskobik açıdan bakmak yerine mikroskobik açıdan bakmayı denedi ve tıp alanına çok büyük katkıda bulunacak bir keşfe imza attı. Köpekbalığı derisi doğal olarak antimikrobiyal. Yani, kolonileşmeyi de enfeksiyonu da engelleyebiliyor. Fakat bu özel bir bağışıklık sisteminden ya da amino asit dizilerinden dolayı değil, derinin kendi yapısından dolayı. Deri girinti ve çıkıntılar içeriyor, bu da mikroorganizmaların deriye tutunmasını engelliyor. Eğer bu özellik okyanuslardan laboratuvar ortamına taşınabilirse tıbbi aletler bu yapılarla kaplanacak ve böylece dezenfektan görevi görecek. İlk testlerde bu yapının mikrobiyal bağlanma ve koloni oluşumunu engellemede son derece başarılı olduğu görüldü. Ekip ilerleyen yıllarda, hedeflenen materyallerin yapay köpek balığı derisi ile kaplanacağını belirtiyor.

Doğada her canlının kendine has hareketleri vardır. Fakat konu kuşlar olduğunda “hareket” yelpazesini daha geniş tutmalıyız. Değişik hareketlere sahip olan kuşlardan birisi de Ağaçkakanlar. Ağaçkakanlar üreme dönemleri geldiğinde, kuru ağaç gövdelerine sivri gagalarını vurarak karşı cinsi etkilemeye çalışır. İsmini ise bu hareketinden almaktadır. Bunun açıklaması basit. Açıklanması zor olan şey ise saniyede 18-20 defa ağaca vuran ağaçkakanların beyinlerinin nasıl bu darbelerden etkilenmediğidir. Çünkü bir ağaçkakanın ağaca her vuruşu, bir futbolcunun topa vuruşundan 100 kat daha fazla darbe almasına sebep olmaktadır. Bu vuruşu bir insanın denediğini düşünün, muhtemelen beyin sarsıntısı sonucu ayrıştırıcılara yem olurdu! Ağaçkakanların bu marifeti Kaliforniya Berkeley Üniversitesi’nden Sang-Hee Yoon ve Sungmin Park isimli iki bilim insanının da ilgisini çekmiş ve ağaçkakanlar üzerinde çalışmaya başlamışlar. Uzun araştırmalar sonucu, kuşların beyinlerini sarsıntılardan dört farklı yöntem kullanarak koruduğu bulunmuş. Dört yöntemin şunlar olduğunu söylüyor ikili baş yazarlığını yaptıkları makalede: Gagaları sert fakat esneyebilir; kafatası kemikleri süngerimsi; beyin ve kafatası arasında sıvının bulunduğu genişçe bir boşluk var ve titreşimi azaltmak için evrimleşmiş olan ve ağaçkakanın diline bağlanan bir zar mevcut. Mühendisler bu doğal yapıları şok absorbe edici aletler üretmek için kullanmayı düşünüyorlar ve bu doğrultuda bir dizi deney gerçekleştirdiler. Deneyin sonuçlarına göre, üretilen silindir şeklindeki alet 60.000 kg kuvvete kadar dayanabiliyor. Ağaçkakanların maruz kaldığı kuvvetin 1.200 kg olduğunu düşünecek olursak, üretilen maddenin ne derece başarılı olduğunu anlayabiliriz. Fakat bu kuvvet dahi çok kullanışlı değil. Araştırmacılar dayanma kuvvetini daha da arttırma peşindeler.

Akıllı Malzemeler ve Nanoteknoloji

Hasta olduğumuzda ateşimiz çıkabilir. Bunun sebebi vücudun dışarıdan gelen mikroorganizmalara ve virüslere karşı ürettiği savunma mekanizmasıdır. Peki, bu mekanizma vücuda yabancı organizmaların girdiğini nasıl anlıyor? İşte bunun cevabını bulmak, akıllı malzemelere giden yolun kilit noktasını oluşturuyordu. Dışarıdan gelen organizmanın proteinleri ister istemez konak canlının, yani bizlerin, hücreleri ile etkileşimde bulunuyor. Konak canlının hücreleri yabancı proteini algılıyor ve diğer hücrelere bunu aktararak bir direniş göstermeye başlıyorlar. Bu dirence bağışıklık sistemine özgü hücrelerde katılıyor ve yabancı hücrelerle olan savaş başlıyor ve bunun yan etkisi olarak da vücut ısısı giderek artmaya başlıyor. Aynı sistem hücreler tarafından birçok farklı durum için kullanılabilir; sıcaklık değişimleri, kimyasal maddeler, ortam değişiklikleri vs.

Kilit nokta olan bilgi ise hücrelerin değişimlere karşı olan hassasiyeti ve değişimlere verdiği hızlı tepkiler. Bu değişimler hücrelere hayatta kalma imkanı sağlarken, bizlere de, koku almaçlarından tutun da hedefi on ikiden vuran ilaçlara kadar sınırsız sayıda teknolojik sistemler geliştirmemizi sağlıyor. En yaratıcı örneklerden birisi de MIT’de kimya profesörü olan Timothy Swager ve ekibine ait. Ekip besin zehirlenmelerinden ve etlerin boşa gitmesinden çok etkilenmiş görünüyor ki buna bir çare bulmuşlar. Ekip bir sensör oluşturmuş. Oluşturulan sayesinde etin çürük olup olmadığını koklamak ve tatmak zorunda kalmadan anlayabileceğiz. Sensörün çalışma mekanizması burun hücreleri ile aynı, yani onları taklit ediyor. Eti kokladığımızda burnumuza gelen kötü kokular etin bozulmasına sebep olan kimyasallardır. Bu kimyasallar burun hücrelerimizin almaçlarına bağlanır ve bizlere kötü koku olarak kendini tanıtır. Swager ve arkadaşlarının icadı da bu kimyasalları algılıyor ve size etin bozuk olup olmadığını bir telefon uygulaması ile anında söylüyor. Kullanıcılar bu sayede zehirlenmekten veya eti boş yere çöpe atmaktan kurtulmuş olacak.

Teknolojinin gelişmesi yeni tıbbi uygulamaları da beraberinde getiriyor. Bu gelişmelerden en önemlisi ise yapay organ nakilleri. Henüz çok ilerlemiş bir teknoloji değil fakat organ nakillerinin tahtına oturması an meselesi. Bir bireyden diğerine yapılan organ nakillerinde doku uyuşmazlığı problem basamaklarından en önemlisini oluşturuyor. Yapay organ nakillerinde ise bu problem hasta kişinin vücudu ile nakledilecek organın uyuşacağı şekilde üretilen yapay doku kullanılarak aşılmış oluyor. Ancak teknolojimiz bazı durumlarda henüz yetersiz. Hücrelerin sahip olduğu zarlar organizmayı korumak üzere evrimleşmiştir. Bunu zararlı kimyasalları ve maddeleri hücrenin dışında tutarak gerçekleştirir. Bir yandan da hücrenin ihtiyaç duyduğu kimyasalları içeriye almak zorundadır. Bu durumda hücre zarı üzerinde duran bazı kanalcıklar görevi devralır ve gerekli maddeler bu kanalcıklar sayesinde organizmanın içerisine alınır. Bu özelliğe seçici geçirgenlik denir. Teknolojimizin yetersiz kaldığı durumlardan bir tanesi de bu özelliğe sahip zarlar üretmek. Nisan ayında yayınlanan yeni bir araştırmaya göre seçici geçirgen özelliğe sahip zarlı yapılar üretmek kısa bir zamanda mümkün olabilecek. Bilim insanlarından oluşan uluslararası bir ekip nano tüpler kullanarak seçici geçirgen zar üretmeyi başardı. Zarların üzerine ürettikleri karbon nanotüpleri yerleştirdiler, gerekli miktarda enerji verdikten sonra bu tüplerin bazı kimyasallara karşı özellikle seçici davrandığını gördüler. Tıpkı doğal hücrelerin zarlarındaki kanalların yaptığı gibi! Ekip devrim niteliğinde bir buluş gerçekleştirmiş olabilir çünkü yapay karaciğer ve yapay böbrek nakillerinden sonra hastalar için tehlike arz eden en önemli şey organların zarlarının yeterli derecede geçirgen olmamasıydı. Bu yöntem kullanılarak gelecekte daha sağlıklı yapay organ nakillerinin yapılması umuluyor.

Yapay Zeka

İnsanlık üzerinde oluşturabileceği tehlikeler tartışıladursun yapay zeka geleceğin en büyük teknolojik gelişmelerinden olacak. Kendi kendine program yazan bilgisayarlar üzerinde çalışmalara çoktan başlandı. Eğer komplo teorilerinden uzaklaşıp bu teknolojinin gelişmesine bir şans verirsek teknolojimizin gelişme hızı daha da artacak. Belki de yüz yılın en büyük teknolojik gelişmesi olacak olan bu ürün de biyomimetik tabanlı. Bu sefer esinlenilen organizma doğanın derinliklerinden çıka gelmiyor. Yapay zekanın temelleri bizim sinir sistemimize dayanıyor. 

Beynimiz milyarlarca sinir hücresinin birbiri arasında mekanik ve kimyasal yollarla iletişim kurması sayesinde varlığını sürdüren bir organ. Nasıl ki önemi tartışılamaz ise diğer organlara nazaran daha karmaşık olduğu da tartışılamaz ve hala tamamen anlaşılmış değil. Yapay Zeka geliştirme atılımını ilk olarak 1943 yılında Warren McCulloch and Walter Pitts gerçekleştirdi. İkili bilgisayar sistemlerinde beynimizdekilere benzer sinir hücreleri ve sinir ağlarını kullanmayı önerdi, tabii ki sentetik olanlarını. Başlarda başarılı oldukları söylenemez, fakat sonraki yıllarda bu sistem geliştirilmeye başlandı ve birçok teknolojik ürünün alt yapısını oluşturdu. Şimdilerde ise daha gelişmiş ağ sistemleri ile çalışmalar yürütülüyor.

Beynimizdeki nöral ağlar, binlerce sinir hücresinin birbirleriyle oluşturduğu milyarlarca bağlantıdan oluşuyor. Gerek kimyasal, gerekse elektriksel iletiler sinir hücrelerinin oluşturduğu bağlantılar tarafından bir nörondan diğerine aktarılıyor ve beynimiz içerisinde seyahat ediyor adeta! Tabii ki insan benzeri bir teknolojik ürün yaratmak için bu ağları kullanmak kaçınılmaz olacaktır. Bunu ilk fark edenler de biraz önce bahsettiğimiz Warren McCulloch and Walter Pitts ikilisi oldu. Peki bu nöral ağların yapay olanları nasıl çalışıyor? Yapay nöral ağlarda beynimizdeki uyarı iletimini sağlayan nöron benzeri yapılar kullanılıyor, bu yapıların birbirleriyle etkileşimi sayesinde öğrenme gerçekleştiriliyor. Evet öğrenme! Çünkü yapay zeka öğrenmeyi temel alıyor, kodlamayı değil. Ancak bilim insanlar hala daha yapay zekanın öğrenmesini ve sinirsel süreçlerini geliştirmek için insanın beynindeki biyolojik süreçleri incelemeye devam ediyor. Henüz bebeklik döneminde olan teknolojimiz için bu araştırmalar büyük umut vaadediyor. 

Medeniyet kurarak doğadan uzaklaştığımızı düşünsek de aslında hala doğa ile iç içeyiz. Onu etkiliyoruz, ondan etkileniyoruz. Kabul etmemiz gerekiyor ki, o bizlerden çok üstün ve ortaya koyduğu çözümlerden bazılarına yetecek teknolojimiz henüz yok. Doğa hayatın devam etmesi için elbet bir yolunu bulur, bilim ise onu taklit etmenin bir yolunu!

Kaynaklar ve İleri Okuma:

1. PopSci - 1
2. PopSci - 2
3. PopSci - 3
4. PopSci - 4
5. Royal Society
6. Science Direct - 1
7. Science Direct - 2
8. Science Daily
9. BBC
10. Ana Görsel: Pixabay