Yapay kas, gelecekte robotların canlı organizmalar gibi çalışmasını sağlayabilecek yüksek bir teknolojidir. Bu teknoloji, yaşlılıkta kaybedilen fiziksel aktivitelerimizi yeniden kazandıran yardımcı giyilebilir cihazlardan, arama çalışmalarında gezinebilen kurtarma robotlarına kadar farklı alanlarda insanlığa yeni imkanlar sunar. Yapay kasların kullanımı insanlık için güçlü bir etkiye sahiptir fakat yapay kasların geri dönüştürülür olmayışlarından çevresel pozitif bir etki bırakması beklenemez.
Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Johannes Kepler Üniversitesi (JKU) ve Colorado Üniversitesi’nden (CU Boulder) uluslararası bir araştırma ekibi, yumuşak robotikte sürdürülebilirliği odak noktasına taşıdılar.
Bilim insanları, jelatin, yağ ve biyoplastiklerden oluşan tamamen biyolojik olarak parçalanabilen bir yapay kas geliştirdiler. Bu yeni teknolojinin robotik kollara entegre edilmesiyle birlikte atık toplama gibi tek yönlü uygulamalarda faydalı olabileceği düşünülmektedir. Bu yapay kaslar AB sertifikasına (EN 13432/14995) uygun olarak 6 ay içinde tamamen biyolojik olarak çözümlenerek kompost (kompost: bitkisel ve hayvansal atıkların nemli-oksijenli ortamda bozunarak dönüştüğü organik gübre) halini alacak şekilde tasarlanmıştır.
Ellen Rumley, “Zaman içinde yumuşak robot teknolojisinin de artmasıyla tek kullanımlık uygulamalar (tıbbi operasyonlar, arama-kurtarma görevleri, tehlikeli maddelerin manipülasyonu vb.) sonunda çevresel atık sorunlarının oluşacağı öngörülmektedir. Buna çözüm olarak geliştirilecek olan yapay kas teknolojisi sayesinde hem çevresel atık sorununun önüne geçmiş olur, hem de kompost sayesinde bitkilerin büyümesine yardımcı olur.” dedi.
Araştırmacılar, “HASEL” adı verilen elektrikle çalışan yapay bir kas tasarladılar. Temel olarak, elektriksel olarak iletken bir çift elektrot tarafından kısmen kaplanan, yağ dolu plastik torbalardır. Elektrot çifti üzerinde yüksek bir voltaj uygulayarak karşıt yüklerin oluşmasına neden olurlar. Karşıt yükler aralarında bir kuvvet oluşturur ve yağı torbanın elektrot olmayan bir bölgesine iterek torbanın gerçek bir kas gibi kasılmasına sağlar. Geliştirilen teknolojinin şekil değiştirmesi için ana gereksinim, plastik torba ve yağı oluşturan malzemelerin yalıtkan özelliğinde olmasıdır, böylece yüklü elektrotlar tarafından oluşturulan yüksek elektriksel stresleri sürdürebilirler2.
Bu projenin zorluklarından biri; iletken, yumuşak ve tamamen biyolojik olarak parçalanabilen bir elektrot geliştirmekti. Johannes Kepler Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, aktüatörler için biyopolimer jelatin ve tuzlardan oluşan bir formül hazırladılar.
JKU’daki Yumuşak Madde Fiziği Bölümü’nde çalışan bilim adamı David Preninger, “Elektrotların yüksek performanslı uygulamalar için uygun hale getirdiğimiz bir formülümüz vardı. Fakat elektrot üretimindeki bileşenlerin tedariğinde ve üretiminde stratejik davranmak önemliydi. Hazırladığımız formülasyonumuzun elektrikle çalışan sistemlere kolayca entegre edilebilmesi, gelecekteki biyolojik olarak parçalanabilir uygulamalar için bir temel olacaktır.” diyor.
Bir sonraki adım, biyolojik olarak parçalanabilir uygun biyobozunur plastikler bulmaktı. Mühendisler, HASEL’in binlerce volt ile çalışabileceğini de düşünerek, çalışmalarını yaparken yalıtım parametresiyle ilgilenmediler. Daha çok bozunma veya mekanik dayanıklılık gibi kriterler üzerinde yoğunlaştılar.
Araştırmalar sonucunda, bazı biyoplastik jelatin elektrotların 200 V/μm’ye kadar yüksek elektrik alanda ve maksimum operasyonel voltajlarda elektriksel arıza veya performans kaybı yaşamadan 100.000 kez çalıştırılabilir olduğu gözlemlendi1.
Ellen Rumley devam ediyor: “Bu yeni üretilen malzeme sisteminin olağanüstü performansını sektöre açarak, biyolojik olarak parçalanabilen malzemelerden robot yapmak için teşvik sağlıyoruz. Biyoplastiklerle bu kadar harika sonuçlar elde edilmesi, diğer malzeme bilimcilerini de optimize edilmiş elektriksel performansa sahip yeni malzemeler oluşturmaya teşvik etmesi umudunu taşıyor.”
Yeşil teknolojinin giderek daha yaygın hale gelmesiyle, araştırma ekibinin projeleri, yumuşak robotikte bir paradigma değişimine doğru atılmış önemli bir adımdır. Biyolojik olarak parçalanabilen malzemeler kullanarak yapay kaslar üretmek, sürdürülebilir robotik teknolojisi için bir gelecek oluşturma yolunda atılmış önemli bir adımdır.
Mahmut Öğütcü
Kaynaklar
- Rumley, E. H., Preninger, D., Shagan Shomron, A., Rothemund, P., Hartmann, F., Baumgartner, M., Kellaris, N., Stojanovic, A., Yoder, Z., Karrer, B., Keplinger, C., & Kaltenbrunner, M. (2023). Biodegradable electrohydraulic actuators for sustainable soft robots. Science Advances, 9(12), eadf5551. https://doi.org/10.1126/sciadv.adf5551
- https://techxplore.com/news/2023-03-biodegradable-artificial-muscles-green-field.html