Robotik Uygulamalarda İnsan Parmak Ucunun Taklidi
Fotoğraf 1 : Eliptik şekilli nano sütun (nanopillar) LED’lerin Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM/TEM) görüntüleri. Soldaki iki görüntü, ortogonal olarak yönlendirilmiş nano sütunlardan oluşan iki LED’in yüksek çözünürlüklü görüntülerini göstermektedir. Sağdaki görüntü, her biri 12.500 nano sütun içeren bir nano sütun dizisinin bir bölümünü göstermektedir.
Yapay protezler ve insan-bilgisayar arayüzleri gibi robotik mekanizmalar toplumla giderek daha fazla bütünleştirildiğinden, araştırmacılar ellerle aynı işlevi gören cihazların hassasiyetini daha derinden araştırmaktadırlar. İnsan parmak uçları önemli biçimde hassastır. 40μm kadar olan bir nesnenin ayrıntılarını iletebilir (bir insan saçının yaklaşık yarısı kadar), yüzey dokularındaki güç algılanan farklılıkları ayırt edebilir ve bir yumurtayı ya da 20 librelik bir köpek mamasını kayma olmadan kaldırmaya yetecek kadar güç uygulayabilirler. Ayrıca nesneleri göreceli kolaylıkla manipüle edebilirler.
Mühendisler, değişken seviyelerde başarı ile nihai robotik veya protez kullanımları için bu yeteneği taklit etmek için çalışmaktadırlar. Michigan Üniversitesi’nden Prof. P.C. Ku ve grubu yakın zamanda, yönlülüğü ve kuvveti yüksek bir hassasiyetle algılayan, dokunsal algılama için geliştirilmiş bir yöntem bildirmiştir. Sistemin yüksek çözünürlüğü, robotik ve HCI (Human Computer Interface/İnsan-Bilgisayar Arayüzü) uygulamaları için benzersiz bir şekilde uygun olmasını sağlamaktadır. Ayrıca üretimi oldukça basittir.
Doktora öğrencisi Nathan Dvořák, “İnsanlar ve bilgisayarlar arasındaki farklılıkları kapatıyoruz, böylece bir robota nesneleri kendi yeteneklerimize daha yakın olacak şekilde nasıl hissedeceğini öğretebiliriz” dedi.
Dvořák, son birkaç yıldır dokunsal sensörler geliştiren, Prof. P.C. Ku. tarafından yönetilen bir ekibin üyesidir. Asimetrik nano sütunlar kullanarak yönlülük ile birlikte son derece hassas bir dokunma hissini ilk bütünleştirelerdir; böylece bir protez cihaz düşen bir nesneyi daha sıkı bir şekilde kavrayabilir veya bir insan-bilgisayar arayüzü, bir yükselmeyi düşen bir hareketten ayırt edebilir.
Fotoğraf 2 :Birbirine dik açılarda yerleştirilmiş dizi çiftlerinden oluşan 64 düğüm halinde düzenlenmiş 1,6M nano sütundan oluşan tek sensör.
Ekip, konseptin bir kanıtı olarak, 1,6 milyon galyum nitrür (GaN) nano sütunu içeren, kabaca parmak ucu boyutunda bir sensör yaptı. GaN, doğuştan gelen piezoelektrik özelliği sayesinde kuvveti ölçme yeteneği nedeniyle, yani stres altındayken bir elektrik yükü oluşturma yeteneği nedeniyle kullanılmıştır.
Nano sütunların eliptik şekli ve düzeni, yönselliği tespit etmedeki başarısının anahtarıdır.
En küçük birim nano sütundur. Her nano sütunun eliptik bir şekli vardır ve 450 nm uzunluğundadır, bu da insan saçının genişliğinden yaklaşık 1000 kat daha küçüktür. Ve her nano sütun kendi LED’i (Light Emitting Diode/Işık Yayan Diyot) ile donatılmıştır.
Nano sütunlar, 100×150 nano sütun veya dizi başına 12.500 nano sütun olan bir dikdörtgen şeklinde bireysel diziler halinde gruplandırılmıştır. Her dizi daha sonra kendisine dik açılarda ikinci bir dizi ile yakın olarak gruplandırılır. Bu düzenleme, yönü tespit etme yeteneğinin anahtarıdır. İki ortogonal diziye düğüm denir.
Fotoğraf 3 : Hareket halindeki dokunsal sensörün kavramsal çizimi. Nano sütunlara uygulanan basınç, LED’lerin yaydığı ışığı azaltır.
Videoda gösterildiği gibi, nanosütunlara bir kuvvet uygulandığında, nano sütunlardan yayılan ışık yoğunluğunu değiştirir.
Sensör, kuvvetin yönünü belirleyebildiği için, gelecekteki bir protez cihazını, bir nesnenin daha sıkı bir tutuş gerektirip düşmeyeceği konusunda uyarabilir.
Sistem, çok yüksek üretim nizamı gerektiren karmaşık elektrik ara bağlantıları gerektirmez. Ayrıca, kolayca tekrarlanabilen, iyi bilinen üretim yöntemlerini kullanır.
Dvořák, “Cihazlarımızda %100 verim elde etmemize, hatta kapatmamıza gerek yok” dedi. “Mevcut cihazlarımdan birinde sensörde 1,6 milyon nanosütun var ve bir dizideki nanosütunların %25’i üretim sırasında hasar görse bile yine de etkili, çünkü mutlak ışık yoğunluğunu değil, ışık yoğunluğunun değişimini tespit ediyoruz.”
Bu video, nano sütunlara uygulanan bir parmak ucunu göstermektedir. Sistem, parmak izindeki tek tek çıkıntıları ayırt edecek kadar hassastır. Bir parmak izi çıkıntısı nanosütunların üzerinden geçtiğinde, nanosütunları bükerek ışık yoğunluğunun azalmasına neden olur ve parmak sensör üzerinde hareket ettikçe genel bir parıldama etkisine neden olur. Kredi: Michigan Üniversitesi.
Sensör, yalnızca 4,3 μm’lik ölçüdeki nesneleri ayırt edebildi ve bu, onu bir insan parmak ucundan neredeyse 10 kat daha hassas hale getirdi. Ve bir ataca benzer bir nesnenin ağırlığını veya yaklaşık 0.1 gramı algılayabilmiştir.
Mevcut konsept kanıtı, yüzeye dokunulduğunda meydana gelen ışık değişimini algılamak için standart bir görüntüleyici kullanır.
Dvořák, “Artık eksiksiz bir sistem geliştirmek için çalışıyoruz” dedi. Mevcut sistemi elektrikle çalıştırdıktan sonra, sensörü ışık yoğunluğundaki değişiklikleri kaydedecek bir CMOS (Complementery Metal Oxide Semiconductor/Bütünleyici Metal Oksit Yarı İletken) görüntüleyicinin üstüne monte edecek ve otomatik bilgi işleme için bir mikroişlemciye bağlayacak.
Araştırma, Nano Letters’ da yayınlanan “Yön Duyarlılığı ve Yüksek Mekansal Çözünürlüğe sahip Ultra İnce Dokunsal Sensörler” bölümünde açıklanmıştır.
Kaynak: phys.org
