Tuz tanesinden bile küçükler, ama şimdiden kendi başlarına karar verebiliyorlar

Mikro robotik bilimi, onlarca yıldır neredeyse görünmez ve aşılmaz bir fiziki engelle karşı karşıyaydı: Mikro ölçek. Robotları küçültmek sadece bir mühendislik ve minyatürleştirme sorunu değil, aynı zamanda tamamen değişen fizik kurallarına meydan okuma süreciydi. Çünkü bir milimetrenin altındaki boyutlarda yerçekimi tüm önemini yitirirken; su gibi akışkan sıvılar robotlar için katran gibi kalın, yapışkan ve hareket etmesi imkansız bir ortama dönüşür.

Pennsylvania Üniversitesi ve Michigan Üniversitesi'nden ortak bir araştırma ekibi, bu fizik duvarını yıkmayı başardı. Geliştirilen ve boyutları sadece 200 X 300 X 50 mikrometre (bir tuz tanesinden çok daha küçük) olan mikroskobik robotlar; sadece hareket etmekle kalmıyor, aynı zamanda ortamı algılıyor, bilgiyi işliyor ve hiçbir dış kontrol mekanizmasına ihtiyaç duymadan kendi başlarına kararlar alabiliyor.

Science Robotics ve Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dergilerinde yayınlanan bu buluş, tıp dünyasından mikro imalata kadar pek çok alanda yeni bir çağ başlatıyor.

Geçmişteki benzer mikro robot denemelerinin aksine, bu yeni cihazlar çalışmak için hiçbir kabloya, harici güçlü mıknatıslara veya uzaktan kumandaya ihtiyaç duymuyor. Tek bir mikroorganizma hacmine sahip olan her bir robotun içine şu bileşenler eksiksiz şekilde entegre edildi:

Elektronik sensörler: Ortamdaki sıcaklık gibi fiziksel değişimleri anlık ölçen sistemler.

Mikro bilgisayar: Verileri işleyen eksiksiz bir işlemci ve bellek mimarisi.

Akıllı tahrik sistemi: Sürtünmeyi sıfırlayan, hiçbir hareketli parçası (çark, dişli) olmayan motor mekanizması.

Mikroskobik güneş panelleri: Robotun ihtiyaç duyduğu tüm enerjiyi ışık dalgalarından üreten fotovoltaik sistem.

Bu üstün teknoloji sayesinde robotlar, sadece bir LED aydınlatma altında bile aylarca kesintisiz ve otonom olarak görev yapabiliyor.

Mikro dünyada suyun içinde yüzmeye çalışmak, bir insanın katran veya yoğun bir macun içinde ilerlemeye çalışmasına benzer. Pennsylvania’daki projenin baş araştırmacısı Marc Miskin, bu zorluğu "Bu boyutta, suyun içinden geçmek katranın içinde yüzmek gibidir" sözleriyle ifade ediyor.

Bu sebeple mühendisler; mikro düzeyde hemen kırılan veya sıkışan bacak, kol veya pervane gibi mekanik parçaları tamamen elediler. Bunun yerine sıra dışı bir itme sistemi geliştirdiler:

İyon akımı teknolojisi: Robotlar, gövdelerinin etrafındaki sıvıda yerel elektrik alanları oluşturuyor. Bu alanlar çevredeki iyonları harekete geçiriyor. İyonlar da su moleküllerini peşinden sürükleyerek robotu ileriye iten yapay bir akıntı (akış) yaratıyor.

Robot, kelimenin tam anlamıyla kendi yarattığı mikroskobik bir nehirde yüzüyor. Bu yenilikçi yöntemle robotlar, saniyede kendi vücut uzunluklarına eşdeğer hızlara ulaşarak karmaşık ve koordineli rotalarda rahatça ilerleyebiliyor.

Bir akıllı saatten 100.000 kar daha az enerji tüketen "beyin"

Gerçek özerklik, verimli bir beyin olmadan mümkün olamazdı. Bu noktada devreye, dünyanın en küçük ve en az güç tüketen bilgisayarlarını üretmesiyle tanınan David Blaauw liderliğindeki Michigan ekibi girdi.

Robot üzerindeki mikroskobik güneş panelleriyle yalnızca 75 nW (nanovat) enerji üretebiliyor. Bu, sıradan bir akıllı saatin harcadığı enerjiden tam 100.000 kat daha azdır.

Bu mikro miktardaki enerjiyle işlem yapabilmek için mikroişlemcinin güç tüketimi geleneksel tasarımlara kıyasla 1000 kat düşürüldü. Robotun üzeri neredeyse tamamen güneş panelleriyle kaplı olduğundan bellek alanı çok kısıtlıydı. Yazılımcılar, birden fazla komutu minimum bellek harcayacak şekilde tek bir komut satırında yoğunlaştırmayı başardı.

Verileri dış dünyaya "arı dansı" ile iletiyorlar:

Bu fiziksel sınırlamalara rağmen robotlar, sıcaklığı 1°C'nin üçte biri (0.33) hassasiyetinde ölçebiliyor. Peki, Wi-Fi veya radyo sinyali kullanamayacak kadar küçük olan bu robotlar topladıkları verileri dışarıya nasıl aktarıyor?

Cevap yine doğada gizli. Robotlar mikroskop altında gözlemlenebilen, kendilerine has küçük ve ritmik hareket kalıpları (bir nevi dans) sergiliyorlar. Laboratuvardaki bilgisayarlar bu hareket kodlarını çözerek verileri analiz ediyor. Prof. Blaauw bu durumu, "Arıların kovan içinde yön ve bilgi aktarmak için yaptığı dansa çok benziyor" diyerek açıklıyor.

Üretilen binlerce robotun her biri dijital olarak benzersiz birer kimlik numarasına (ID) sahip. Işık darbeleri kullanılarak programlanan bu robotlar, aynı sıvı havuzunun içinde olmalarına rağmen birbirlerinden farklı görevleri yerine getirebiliyor. Bu sayede, her birinin spesifik bir görevi üstlendiği binlerce robotluk akıllı mikro sürüler koordine edilebiliyor.

Dahası, platform tamamen ölçeklenebilir ve seri üretime uygun olarak tasarlandı. İtme sistemi ve silikon yarı iletken bileşenler, bilgisayar çipleri gibi çok düşük maliyetlerle milyonlarca adet üretilebiliyor.

Gelecekte neler değişecek?

Bu robotlar laboratuvarda saklanan kırılgan birer prototip değil; mikropipetlerle sert müdahalelere dayanabilen, mekanik olarak yıpranacak hiçbir hareketli parçası olmayan gerçek ticari adaylardır.

Canlı bir vücudun içinde, tek bir kanser hücresini veya hücresel aktiviteyi anlık olarak izleme ve hedefli ilaç teslimatı yapma.

İnsan elinin veya büyük makinelerin üretemeyeceği nano/mikro boyutlardaki elektronik ve mekanik parçaların montajı.

Zorlu, tehlikeli veya ulaşılamaz sıvı ortamlarına binlerce sensör bırakarak kimyasal ve termal haritalandırma yapma.

Proje lideri Marc Miskin, robotik dünyasında çığır açan bu başarıyı şu sözlerle özetliyor:

"Bu sadece ilk bölüm. Bir beyni, bir sensörü ve bir motoru neredeyse görünmez bir nesneye kusursuzca entegre edebileceğimizi ve onu aylarca çalıştırabileceğimizi dünyaya gösterdik."