CANLI-TAKLİTÇİ ROBOTLAR 03: GÖKYÜZÜNÜN HAKİMLERİ

Doğadaki canlılardan esinlenilerek şekillendirilen robotlar serimizin 3. ayağında gökyüzüne yükseliyoruz.

Önceki yazılarımızda denizlerde yüzen ve duvarlara tırmanan robotları incelemiştik. Canlı-taklitçi robotların en şaşırtıcı ve etkileyici örneklerinden birine sıra geldi. Uçan canlılardan ilham alınan ve Ata’mızın da çok doğru öngördüğü gibi, istikbali göklerde arayan robotları inceleyeceğiz.

Uçan canlılar

Öncelikle uçan canlılar dediğimiz zaman kendi yetileri doğrultusunda bulundukları herhangi bir yerden havalanıp istedikleri yere uçup istedikleri yere tekrar konabilen canlıları kastediyoruz. Bu gruba giren canlılar böcekler, kuşlar, teruzorlar (nesli tükenmiş bir uçan dinazor türü) ve yarasalar (uçabilen tek memeli hayvan). Bunların dışında doğada “uçan” ismini almasına karşın sadece havada süzülebilen bir çok hayvan mevcut, örneğin uçan balık, uçan yılan, uçan sincap, uçan kurbağa vs. Bu hayvanların “uçabilme” prensipleri, potansiyel enerjilerini (yüksekten atlayarak) veya kinetik enerjilerini (kuvvetli bir sıçrama sayesinde) aerodinamik vücut yapıları sayesinde, havada süzülerek yol katetme amacıyla kullanabilmelerine dayalı. Buna karşılık kanatlarını çırparak uçan ilk gruptaki canlılar biyomekanik özelliklerini (kanat çırpma) yerçekimine karşı gelebilmek için kullanıyorlar.

Uçmanın biyomekaniğini kavrayabilmek için önce havanın da bir akışkan olduğunu anlamamız gerekli. Sadece sıvılar değil, gazlar da akışkandır. Temel olarak üç önemli kuvvet çerçevesinde şekil değiştirirler ve içlerinde bulunan katı cisimlerin yer değiştirmesini sağlarlar. Çok kısaca bahsetmek için basit örnekler vererek anlatacağım:

1. Sürüklenme: Havanın akış yönüne ters yöndeki kuvvet. Rüzgarlı havada, rüzgarın tersi yönüne doğru ilerlemeye çalıştığınızda hissettiğiniz kuvvettir.
2. Taşıma: Sürüklenmeye dik yönde olan, genellikle de hayvanın ağırlık kuvvetinin tersi yönde olan kuvvettir. Bu kuvvet eğer hayvanın kanatları genişse, hayvan hızlı hareket ediyorsa ve havanın viskozitesi ve yoğunluğu daha fazlaysa büyür.
3. İtki: Hayvanın uçuş yönüyle aynı yöne doğru, yani sürüklenmenin tersi yönde uygulanan kuvvettir. Uçaklarda motor tarafından sağlanan basınçlı egzoz itme kuuvvetine tam ters yönde, uçağın ileriye doğru gitmesini sağlayan kuvvet buna bir örnektir. Bu kuvvet sadece kanat çırpan hayvanlarda gözlenir, süzülen hayvanlarda gözlenmez. Kanatlarını 8 rakamı şeklinde çırpan bir kuş yarattığı girdaptan ötürü kendisini ileri doğru atılmış bulacaktır. Aynı hareketin defalarca tekrarı, kuşun ileri doğru mesafe katetmesini sağlar.

Uçmak için uygulanan hayvan stratejileri

Gerçek uçma yetisine sahip hayvanlar nasıl uçar? Yani sürükleme, taşıma ve itki kuvvetlerini nasıl kullanırlar?

1. Öncelikle sürüklenme kuvvetlerini minimize etmeye çalışırlar. Kendilerini havanın akış yönüne ve hızına bırakırlar ve sürüklenme kuvvetine karşı gelmeye çalışarak boş yere enerji harcamaktan kaçınırlar. Ayrıca yüzey alanlarını ufaltarak bu kuvveti azaltmaya çalışırlar. (Arabada ilerlerken kollarınızı yere paralel gelecek şekilde pencereden uzattığınızda ve yere dik olarak açtığınızda kollarınız üzerinde hissettiğiniz kuvvetleri kıyaslayın.) Bu kuvvet uçuş sırasında her daim etkindir, ancak hayvan yavaşlamaya veya konmaya çalıştığı sürece faydalıdır da. Bu sebeple iniş yapmak isteyen kuşların kanatlarını olabildiğince geniş açtıklarını gözlemlemişsinizdir.
2. Taşıma kuvveti, canlının havada kalabilmesi için son derece önemlidir. Eğer bu kuvvet olmazsa, her cisim gibi kendisini yerçekimine yenik düşmüş bir şekilde yerde buluverir. Vücut ağırlığının azalması önemlidir. Kanatların hızlı çırpılması ve geniş kanat açıklığı, kaldırma kuvvetini artırarcaktır.
3. İtki gücü olmadığı sürece sürüklenme gücü hayvanı yavaşlatacak ve bu sayede de kaldırma kuvveti yeterli boyutlara ulaşmadığından hayvan yere inecektir. Uçakların inmeye yakın zamanlarda hız kesmelerinin sebebi de işte budur. Kuvvetli kaslara sahip kuşların daha çok çekiş gücü sağladığı söylenebilir. Bu sebeple çoğu yırtıcı kuş, kuvvetli kaslara sahiptir.

Peki ya canlı-taklitçi robot dünyasında uçma prensipleri nasıl uygulanıyor?

Böcekopter

Böcekopter (Şekil 1) olarak da adlandırılan uçan böcek robotların ilk örneği, CIA’in araştırma ve geliştirme departmanı tarafından 1970’lerde  bir insansız hava aracı (İHA) olarak tasarlandı. Bir yusufçuğun kopyası şeklinde tasarlandığı için kolayca kamufle olabiliyordu. Soğuk savaş döneminde ivme kazanan minyatür düzenekler kullanarak bilgi toplama furyasının bir devamı niteliğindeydi. Normalde kullanılan gizli kamera ve mikrofon düzeneklerini bir seviye daha ileri götürüp, onlara hareket kazandırmak amacıyla kullanılan bu robotlar bir nevi günümüz insansız hava araçlarının da ataları sayılabilir. Bahsi geçen böcekopter, robotun kanatlarını çırpması için yetecek büyüklükte (küçüklükte) bir motora sahipti [1]. Az bir miktar benzin ile hareket eden bu robot, arkasından çıkardığı egzoz gazını da daha kuvvetli bir itiş gücü sağlamak için kullanıyordu. Rüzgardan çok etkileniyor olması en büyük dezavantajıydı. Projeyle ilgili birkaç enteresan detay daha vermek gerekirse, robotun lazer güdümlü kontrol ediliyor olması ve motorunun ve kanat çırpma sisteminin bir saatçi tarafından tasarlanmış olmasıydı.

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=dJyNU1aXXwo&w=360&h=270]

Nano Hummingbird

AeroVironment adlı şirketle kontrol edilebilir bir gözetleme robotu yapma konusunda anlaşmaya varan Amerikan Savunma Bakanlığı İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA), gerçek boyutlu, üstelik gerçeğinden ayırt edebilmenin çok güç olduğu bir sinek kuşu yapılmasını istedi. Bu robot yapılırken dikkat edilmesi gereken hususları da şöyle belirledi [2]:

• İki metre çaplı bir küre içerisinde nokta atışı yapılacak keskinlikte hareketler sergilemesi
• 8 dakika boyunca dış güç kaynağı kullanmadan havada asılı kalması
• Havada asılı kalınan uçuştan, 18km/s hızla bir yöne doğru yapılan uçuşa geçiş yapabilmesi
• Rüzgardan çok az etkilenmesi
• Normal bir kapıdan kapalı alanlara ve açık alanlara rahatlıkla geçiş yapabilmesi
• Kapalı alanlarda bir pilot tarafından sadece canlı video görüntülerine bakılarak veya dinlenilerek kontol edilebilmesi
• Asılı kalma ve yönelimli uçuşları bir kuş edasıyla (kanatlarını çırptırarak) sürdürmesi.

2009 Temmuz’unda ilk kez testlerine başlanan bu robot, 2011 yılında istenilen seviye gelebildi. Nano Sinek Kuşu (Nano Hummingbird, Şekil 2) adı verilen bu robot gerçek sinek kuşlarından daha gürültülü olmasına karşın, kesinlikle bir gözetleme robotu izlenimi uyandırmıyor. Diğer bir kabiliyeti olan kendi çevresinde 360 derecelik bir döngü yapabiliyor olması.

Robotun ağırlığı sadece 19 gram, kanat genişliği 16 santimetre ve gerçekten de DARPA’ya söz verildiği gibi saatte 18 kilometre hız yaparak 10 dakika havada kalabiliyor. Kanatlarını tahrik (itme) ve dümen amaçlı kullanarak istediği yöne uçabiliyor ve bir helikopter gibi kendi ekseni çeevresinde rahatlıkla dönebiliyor. Üstelik robot otonom, yani kendi kendisini kontrol ederek de çalışabiliyor. Aşağıda robotun üretim sürecini anlatan ve son olarak da insan tarafından kumanda edilirken çevreyle ilgili görüntü ispiyonluğu yaptığı bir video var:

Her ne kadar prototip olsa da, tüm işlevselliğiyle karşımızda rüştünü ispat etmiş bir teknolojiyi gördük. Bu teknolojinin geleceğini sorgulayacak olursak, şaşkınlıkla alkışlamamamız mı yoksa korkmamız mı gerektiği konusunda karar sizin. Ancak gelecek on yıl içerisinde bu robotun daha da ufalacağını ve eninde sonunda küçüklüğünden dolayı insanların gözlerinin bile farkedemeyeceği büyüklüklere ineceklerini öngörmek için kahin olmaya gerek yok.

Samarai

Gene DARPA tarafından desteklenen, akça ağaç tohumunun havada süzülmesi prensibiyle uçan bir robot projesiyle devam edelim. Bu robot, akça ağaç tohumunun daldan düştükten sonra kendi etrafında dönerek havada asılı kalması ve rüzgarın da yardımıyla kilometrelerce öteye sürüklenebilmesini sağlayan aerodinamik yapısından esinlenerek tasarlanmış. Savunma ve hava araçları sanayilerindeki milyar dolarlık projeleriyle adını duyuran Amerikan Lockheed Martin şirketinin Akıllı Robot Laboratuvarları’nın bir projesi olarak ortaya çıkan bu robot, uzaktan kumanda edilebiliyor ve dikine kalkış yapabiliyor [3]. Samarai (Şekil 3) adı verilen bu robot, 5 yıllık bir araştırma geliştirme sürecinden sonra 30 santimetrelik bir ürüne çevrilmiş durumda.

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=5LqSWiatV0Q&w=360&h=270]

Kullanılma amacı ise hayli ilginç. Askerler bu hava araçlarını çantalarında taşıyabilirler ve aynı bir bumerang gibi fırlattıktan sonra, uzaktan kumandayla kontrol edebilirler. Bu sayede, köşeden döndükten sonra onları neyin beklediğini, pozisyonlarını kaybetmeden görebilirler veya bir binanın içerisine yollayarak içeriyi gözetleyebilirler (o gürültüyle nasıl farkettirmeyeceklerse artık).

SmartBird

Alman endüstriyel kontrol ve otomasyon devi Festo, Biyonik Öğrenme Ağı araştırma projeleri çerçevesinde işbirliği yaptığı üniversiteler ve araştırma gruplarıyla imza attığı etkileyici bir projeyle devam edelim. Festo’yu geçmişte uçan (!) penguen (Air Penguin) kavramını hayatımıza katan firma olarak da hatırlıyoruz.

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=jPGgl5VH5go&w=360&h=270]

Festo sonunda uzun soluklu robotik, mekanik, dinamik ve pnömatik deneyimleri ve uzmanlığından yola çıkarak geliştirdiği Akıllı Kuş (SmartBird) adlı robotu 2011 yılında tanıttı. Benzin kullanılmayan bu robot tasarımı sayesinde yarım kilodan az bir ağırlığa inilmiş. Bahsi geçen robot iki metre genişliğindeki kanatlarını kullanarak otonom bir şekilde kalkış yapabiliyor, uçabiliyor ve konabiliyor. Bir martının uçuşundan esinlenilen Akıllı Kuş vücudunu, kanatlarını ve kuyruğunu kullanarak uçuyor.

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=9fbmWQ3ExEs&w=360&h=270]

Aşağıdaki gibi kafasını döndürerek, gideceği yöne doğru yönelecek bir hava dinamiği etkisi yaratması şahane bir düşünce:

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=nnR8fDW3Ilo&w=360&h=270]

Bu robotun hikayesi, tasarımı, kullanım alanları ve yukarıdaki videolardan çok daha da etkileyici bir gösterisi  için  projenin lideri Markus Fischer’in 6 dakikalık TED konuşmasını türkçe olarak bu linkten izlemenizi tavsiye ederim.

Kaynaklar:

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Insectothopter

[2] http://www.avinc.com/resources/press_release/aerovironment_develops_worlds_first_fully_operational_life-size_hummingbird

[3] http://www.navytimes.com/news/2011/08/ap-lockheed-unveils-maple-seed-like-drone-081111/