Ahtapotlar, evrimsel adaptasyona dayalı olarak her bir kolunu çeşitli görevler için spesifik bir şekilde kullanabilme yeteneğine sahiptir. Avlanma amacıyla seçilen ahtapot kolu, başlangıçta alttan yukarı doğru bükülme eğilimindedir ve ardından ahtapotlara özgü belirgin bir kas aktivasyonu dalgası ile karakterize edilen tentakül fleksiyonunu takiben “eğilme yayılması” adı verilen bir eğilme hareketini icra etmektedir. Ahtapot, avını tespit ettiğinde yakalama sinyallerini etkinleştirmekte ve tentakülünün distal kısmını, hedefi saracak biçimde hareket ettirmektedir. Bu tentakül daha sonra emme organları aracılığıyla emme hareketini gerçekleştirerek avı ahtapotun ağzına doğru taşımaktadır.
Zie ve meslektaşları, ahtapotun dokunma, algılama ve uygulama prensiplerinden esinlenerek kavrama ve ulaşma yeteneklerini içeren “Elektronik Entegre Yumuşak Ahtapot Kol” (E-SOAM) adını verdikleri yumuşak bir mekanik ahtapot kolu geliştirmiştir. Bu kol, ahtapotun hareket mekanizmasını taklit etmekle kalmayıp aynı zamanda sinyal algılama ve işleme durumlarını entegre etmektedir. E-SOAM, beş segmentten oluşan bir yumuşak kol, gömülü bir elektronik ağ ve distal bir parça olarak görev yapan terminal tutucuya sahiptir. Araştırmacılar, bu yeni teknolojinin hava ve su altında kolun yayılma ve eğilme yeteneklerini test etmek amacıyla farklı ortamlarda iletişimlerini değerlendirmişlerdir, ayrıca robotlar ve insanlar arasındaki çift yönlü etkileşimi değerlendirmek üzere iletişim özelliklerini incelemişlerdir.
Malzeme katmanlarının ayrılışını ifade eden delaminasyon hatası, Young modülünün değişkenlikleri, imalat uyumsuzlukları ve yetersiz yapışma gibi faktörlerle ilişkilendirilmiştir. Bu çalışma kapsamında, emme ve bükülmeyi algılayan elemanlar, belirli elektrotlar ve silikon entegre devre (IC) yongalarını içeren son derece esnek bir devre olan E-SOAM’a entegre edilmiştir. Diğer yandan, bu entegrasyon sonucunda, yumuşak tabaka ile silikon elektrik bileşenleri arasındaki arayüzde bir delaminasyon hatası tespit edilmiştir. Bu sorunun çözümü için, entegre devre etrafındaki stres konsantrasyonunu azaltmayı amaçlayan bir optimizasyon stratejisi kullanılarak gradyan malzemeleri ve sıvı metal planografik baskı yaklaşımı formülleştirilmiştir. Bu strateji, malzeme tabakaları arasındaki uyumsuzlukları en aza indirerek ve delaminasyon hatasını ortadan kaldırarak E-SOAM’ın dayanıklılığını artırmayı hedeflemektedir.
Esnek elektronikler, yumuşak terminal kavrayıcının yüzeyine entegre edilmiştir. Bu entegrasyon, metal sensörlerin emme elemanlarıyla birleştirilerek kavramanın eğilme eğrisinin tespit edilmesini sağlamıştır. Emici yüzey tarafından emici çerçevenin sıkıştırılması, metal sıvı kanallarındaki dirençte değişikliğe neden olan bir faktör olarak tanımlanmıştır.
Terminal kavrayıcının uzak bir hedefe ulaşabilmesi için kol boyunca tam bir eğilme hareketi gerçekleştirmesi gerekliliği, E-SOAM ahtapot kinematiğinin detaylı bir şekilde incelenmesiyle geliştirilmiştir. Bu modelde kolun pozisyonu için dört değişken belirlenmiştir. Bu değişkenlerden biri olan kol yayılımının bükülme açısında (θ0 (t)) önemli değişiklikler, ahtapotun kol kökünü uca doğru hareket ettiren ve bükülen dalga yayılımını oluşturan 24 deneme sonucunda tespit edilmiştir. Δθ0 değeri 20°’den küçük olan durumlar, basit bir noktadan noktaya ulaşma hareketi için tanımlanırken; Δθ0 değeri 20°’den büyük olan durumlar ise süpürme hareketi için kullanılmış ve böylece 2 farklı mod tanımlanmıştır. Bu iki mod temelinde bükülme yayılmasının modellenmesi için rose çizgisi denklemi aşağıdaki şekilde kullanılmıştır:
f(t) = {p(θ) = k1sin(k2(θ – θ0(t))) | θ0(t) < θ < θm } (Denklem 1)
denklem 1’deki parametreler k1, k2; sabit, θ0(t); zamana bağlı parametre, θ; açı parametresi ve θm; sabit açı parametresi olarak tanımlanmıştır.
Çalışmanın temel motivasyonu, E-SOAM kolunun kontrolünü kolaylaştırmak amacıyla hazırlanan; parmaklarının hassas konumlarını ve bükülme hareketlerini tespit etme yeteneği ile birleştirilmiş giyilebilir bir eldiven üzerinde odaklanmaktadır. Bu giyilebilir eldiven, kontrolörün parmaklarının ve ellerinin karmaşık hareketlerini algılayarak E-SOAM’ın hareketlerini etkili bir şekilde yönetirken aynı zamanda kontrolöre dokunsal geri bildirim sağlamak üzere tasarlanmıştır. Parmak konumlarının ve bükülme hareketlerinin belirlenmesi, bir atalet ölçüm birimi sensörünün eklenmesi yoluyla gerçekleştirilmektedir. Ayrıca, giyilebilir eldiven içerisine stratejik olarak konumlandırılmış üç vantuz, kullanıcının parmaklarına dokunsal geri bildirim sunmak amacıyla entegre edilmiştir. Bu vantuzların, E-SOAM’ın amaçlanan hedefe doğru hareketleriyle senkronize olacak şekilde stratejik olarak konumlandırıldığı gözlemlenmiştir.
Titizlikle planlanan bu giyilebilir eldiven tadarımı, E-SOAM kolunun optimum kontrolünü sağlayarak kullanıcıya sürükleyici ve gerçekçi bir dokunsal deneyim sunmayı amaçlamaktadır. Sonuç olarak, Zie ve arkadaşları tarafından, ahtapotların dokunaçlarıyla avını yakalama mekanizması doğasından ilham alınarak geliştirilmiş E-SOAM adlı yumuşak robotik ahtapot kolunun etkin kontrolü üzerine yapılan bu kapsamlı çalışmalar, robotik ve biyomühendislik alanlarına önemli katkılar sunmaktadır.
Yazar: Efekan Gümülcine
Editör: Elif Duymaz
Referans: Zie, Z., Yuan, F., Liu, J., Tian, L., Chen, B., Fu, Z., Mao, S., Jin, T., Wang, Y., He, X., Wang, G., Mo, Y., Ding, X., Zhang, Y., Laschi, C., Wen, L. (2023). Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction. Science Robotics, 8, 84,(2023) https://doi.org/10.1126/scirobotics.adh7852
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisi-
Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlenmesi ile hazırlanmaktadır.
MSc. Bioengineering
BSc. Mathematics