Yumuşak Robotiklerde ‘Gömülü Enerji’ ile Geliştirme Yeni Olanaklar Açıyor

Robotik, hızlı büyüyen bir pazar olup, projeksiyonlara göre 2024’te 94,54 milyar dolardan 2034’te 372,59 milyar doları aşacak şekilde genişlemesi beklenmektedir. 

Endüstriyel robotlar şu anda bu büyümeyi yönlendiriyor. Bugün, 3,4 milyondan fazla endüstriyel robot hayatımızı kolaylaştırmak için çalışıyor. Endüstri şirketleri ayrıca önümüzdeki beş yıl içinde sermayelerinin %25’ini endüstriyel otomasyona yatırmayı planlıyor.

Robotik yaygınlaşmaya devam ederken, robotik alt alanı da araştırmacıların dikkatini çekiyor. Robotlara olan talep, endüstriyel otomasyonun ötesindeki uygulamalarda arttıkça, yumuşak robotik giderek daha fazla ilgi görüyor.

Bu robotlar, yılanlar, toprak solucanları, yılan balıkları, ahtapotlar ve diğerleri gibi doğada bulunan yumuşak ve esnek bedenlerin hareket mekanizmalarını taklit eder. 

Yumuşak robotik, bu yumuşak bedenlerin biyolojik yapılarını ilham kaynağı olarak alarak pürüzsüz ve karmaşık hareketler gerçekleştirir. Geleneksel robotların aksine sert metal bileşenler yerine, yumuşak robotlar genellikle jel ve kauçuk gibi esnek malzemelerden üretilir. Bu, onların karmaşık ortamlara uyum sağlamasına ve insanlarla güvenli bir şekilde etkileşime girmesine olanak tanır. 

Hareket ettirmeleri için ısı uyarıları, elektrik sinyalleri ve hava basıncı gibi çeşitli yöntemler kullanılır. Aktivatörlerinin kaynakları genellikle robotun gövdesinin dışındadır ve hareketlerini kontrol eder.

Bu robotlar, uyarlanabilirlik ve artırılmış güvenlik avantajları sunar. Esnek ve hafif malzeme kullanımı, özellikle bu makinelerin doğrudan insan etkileşimine uygun olmasını sağlar ve yaralanma riskini azaltır. Bu da onları sağlık hizmetleri ve giyilebilir teknoloji gibi uygulamalarda son derece faydalı kılar.

Esnek eklemlere ve yumuşak kavrayıcılara sahip olmaları, bu robotların kolayca bükülmesini, dönmesini ve uzanmasını sağlar. Biyolojik hareketleri gerçekleştirme yetenekleri, insan için güvenli olmayan veya yüksek kontrol gerektiren görevlerde kullanılmalarını mümkün kılar. Yapısal esneklikleri ve çeviklikleri, kırılgan nesneleri taşıma ve diğer hassas görevleri yerine getirme konusunda da onları uygun kılar.

Ancak elbette, yumuşak robotlar sınırlı güç, düşük hassasiyet, düşük dayanıklılık, üretim ve ölçeklendirme zorlukları ve gelişmiş algoritmalar ile kapsamlı algı sistemlerine ihtiyaç gibi zorluklarla da karşı karşıyadır.

Bununla birlikte, yumuşak robotların yetenekleri yumuşak biyolojik organizmalarla yakından eşleştiği için, sağlık, tarım, arama ve kurtarma ve uzay keşfi gibi çeşitli alanlarda umut vaat eden bir özellik olarak görülmektedir.

Zaten birkaç umut vaat eden yumuşak robot geliştirildi. Örneğin, Harvard’ın dokunaç robotu, medüz benzeri yumuşak kavrayıcısı sayesinde kıvırcık saç mekaniklerini taklit ederek kırılgan nesneleri nazikçe kavrayabilir.

Sağlık alanında, Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden K-FLEX, iz bırakmayan endoskopik cerrahi yapma yeteneğine sahiptir ve MIT’nin biyonik kalbi, tıp profesyonellerinin kardiyovasküler hastalıkları incelemesine ve hastalar için en iyi tedavi yolunu belirlemesine yardımcı olabilir.

Yumuşak robotlar ayrıca okyanusları keşfetmek için kullanılmaktadır. Birkaç yıl önce, Çinli araştırmacılar en derin nokta olan Mariana Çukuru’na ulaşabilen kendi kendine enerji üreten bir yumuşak robot tanıttı. Uzay keşfi açısından, NASA destekli kazıma yumuşak robotlar kumlu arazileri gezebilir ve bir gün Jüpiter’in uydularını keşfetmek için gönderilebilir.

Yumuşak robotlarla ilgili araştırmalar ilerledikçe, çeşitli uygulamalarda katı robotların yerini alması beklenebilir. 

Yumuşak Robot Türlerinin Evrimi

Cornell Engineering’den yeni bir çalışma, yumuşak gövdesi boyunca bütünleşik modüler bir güç sistemi bulunan kablosuz bir kara sürünme robotu sundu. 

Bu solucan robotunu oluşturmadan önce, Laboratuvar Cornell Engineering’in Archer Grubu ile iş birliği içinde bir medüz robotu geliştirdi. İkisi de altı yıl önce tanıtılan su bazlı bir yumuşak robotun doğrudan torunlarıdır. 

Dolayısıyla, 2019’da Cornell Üniversitesi araştırmacıları, paper¹ adlı bir makale sundular: \”Enerji yoğun robotlar için elektrolitik vasküler sistemler.\” Sistem, kırmızıoks akış bataryalarını taklit ederek hidrolik kuvvet iletimini, aktüasyonu ve enerji depolamayı tek bir tasarımda birleştiriyor ve robotun enerji yoğunluğunu artırarak 36 saate kadar çalışabilmesini sağladı. 

Bunun için araştırmacılar, mercan resif ortamlarında dalgalı fan benzeri yüzgeçleriyle süzülen bir aslan balığından ilham aldılar.

O dönemde araştırmacılar, \”hidrolik sıvılarda elektrokimyasal enerji depolamanın bu kullanımı, gelecekteki robot tasarımlarında enerji yoğunluğunu, özerkliği, verimliliği ve çok işlevliliği artırabilir\” şeklinde bir not düşmüşlerdi.

Birkaç ay önce, yeni bir makale², \”Yüksek kapasiteli bir medüz robotu için su bazlı bataryanın çok işlevli kullanımı\” yayınlandı. Bu sefer, bir RFB (kırmızıoks akış bataryası) medüz şekline dönüştürülerek enerjinin çok işlevli bir şekilde kullanılmasını sağladı. 

Medüzler çoğunlukla \”mesoglea\” adı verilen bir maddeyle oluşur; bu, iç iskelet görevi görür. Bu materyal medüzün vücudunu elastik kılar ve kas kasılması nedeniyle şekil bozulduğunda eski haline dönmesini sağlar. Mesoglea, medüzün kaslarını güçlendirmek ve hareket edip beslenmesini sağlamak için fibrillin içeren mikro fibrillerden oluşur.

Robot, hacimsel ve yüzeysel enerji yoğunluğu artırılmış RFB’ler tarafından tek başına güçlendirildi; bu da esas olarak sıvıdan oluşan ve elektrokimyasal olarak enerji yoğun UUV’ler için uzun bir işletim ömrü sağladı.

Şimdi, araştırma³, karasal yaşamın evrimleştiği gibi, batarya geliştirme ve tasarımının yönlendirdiği bir evrim geçirdi.

Rob Shepherd, mekanik ve uzay mühendisliği profesörü ve önceki projeyi ve bu yeni projeyi yöneten, şunları söyledi:

\”Bu, karadaki yaşamın evrimi gibi. Balıkla başlarsınız, sonra yere destekli basit bir organizma elde edersiniz. Solucan basit bir organizma, ama daha fazla serbestlik derecesine sahiptir.\”

Aynı \”robot kanı\”, yani enerjiyi depolayan ve önceki robotların uygulamalarını güçlendiren hidrolik sıvı, yeni robot türünü de destekliyor. Ancak bu sefer, araştırmacılar tasarımı daha da iyileştirerek daha yüksek batarya kapasitesi ve güç yoğunluğu elde etti.

Shepherd’ın belirttiği gibi, medüz ağırlığına göre çok daha fazla kapasiteye sahiptir. Bu, robot balığın seyahat süresini artırdı; bu süre gerçek balıktan daha uzundu. Şimdi, karadaki ilk versiyonları solucan; su altında kaldırma desteği alır ve iskelete ihtiyaç duymaz, bu da katı olmasına gerek olmadığı anlamına gelir.

Seramiklerin yumuşak robotiklerde dokunma ve sıcaklık gibi duyuları genişletmede anahtar olup olmadığını öğrenmek için buraya tıklayın.

Gömülü Enerji ile Yumuşak Robotları Güçlendirmek

Robotik’te artan çeviklik talebi, karmaşıklıklarını da artırıyor. Bu, algı yoğunluğunda ve serbestlik derecelerinde (DoF) bir artış anlamına gelir; bu, bir nesnenin bağımsız hareketidir.

Sonuç olarak, robotların enerji tüketiminin de artması muhtemeldir; bu da enerji kapasitesinin dikkate alınması gereken önemli bir faktör olduğunu gösterir.

İşte gömülü enerjinin devreye girdiği nokta burada. Bu, gömülü güç kaynaklarının çok işlevli kullanımını sağlayarak sistem seviyesindeki enerji yoğunluğunu artıran bir tasarım stratejisidir. Bu yaklaşım, güç kaynaklarını makinenin gövdesine dahil ederek maliyet ve ağırlığını azaltır.

Organic Robotics Lab tarafından inşa edilen modelar solucan robotu ve medüzleri, bu ‘gömülü enerji’nin faydalarını sergiliyor.

Bataryalarda depolanan enerjiyi robotun yapısının ve makinesinin bütünleşik bir parçası haline getirerek, araştırmacılar daha iyi sonuçlar elde edebildi. Çalışma şu notu düşmüş:

\”Bir güç kaynağını motor sürülen tendon aktüatör modüllerine entegre etmek, uzun süreli ve faydalı iş yapabilen robotlara eklenebilen yapay bir kas birimi sağlar.\”

Her iki robot da, sıvıda çözünen iki kimyasal bileşen tarafından sağlanan enerjiyi depolayan bir elektrokimyasal sistem türü olan kırmızıoks akış bataryası (RFB) içerir.

Medüz şeklindeki robotta, RFB bir tendonla inşa edildi. Tendon çekildiğinde, çan şekli değişir ve yaratığı yukarı doğru iterek, çan gevşediğinde tekrar aşağıya batar.

Daha da önemlisi, medüz robotu iki kırmızıoks bataryası içerir: çinko iyodür (ZnI2) ve çinko bromür (ZnBr2). Bir bataryadaki iyoda brom eklenerek iyon taşıma artırıldı, bu da batarya kapasitesi ve güç yoğunluğunu yükseltti. Sonuç olarak, medüz robotu daha hızlı ve daha çevik oldu; yaklaşık 90 dakikalık bir işletim ömrüne sahip.

Şimdi, bataryaların elektriksel alt tabakalarında dendrit birikimi sorununu, ki bu şarj ve deşarjı engeller, aşmak için araştırmacılar grafen kullandı. Grafen uygulamak, çinkonun kristal düzlemlerine daha iyi uyum sağlamalarına ve daha eşit bir kaplamaya izin verdi.

Solucan robotu bölümlenmiş bir tasarıma sahiptir. Solucanın gövdesi, birbirine bağlı bir dizi poddan oluşur; her pod bir motor ve tendon aktüatörü içerir ve solucanın şeklini sıkıştırıp genişletmesini sağlar. Her pod ayrıca bir katot içinde batırılmış bir anolit poşet yığını içerir.

Tasarımın temel unsurlarından biri, Nafion ayırıcılarını solucanın silikon-ürün kopolimer gövdesine otomatik olarak bağlamak için kuru yapışma yönteminin kullanılmasıydı. Ayırıcı, anolit ve katolitleri birbirinden ayırırken, aralarındaki yükün hareket etmesine izin verir; bu da motor üzerinden elektronları harekete geçirir.

\”Hidrolik güçle çalışan çok sayıda robot var ve biz, hidrolik sıvıyı batarya olarak kullanan ilk ekibiz; bu, robotun toplam ağırlığını azaltıyor, çünkü batarya iki amaç hizmet ediyor: sistem için enerji sağlamak ve hareket etmesi için kuvvet vermek. Böylece, neredeyse tamamen enerjiyle çalışan bir solucan gibi şeyler elde edebilir ve uzun mesafeler kat edebilir.\”

– Shepherd

Solucan robotu test edildiğinde, araştırmacılar bunun zeminde sürünerek hareket edebildiğini ve dikey bir boruda yukarı aşağı hareket edebildiğini buldu. Robot solucan kapalı, kıvrımlı bir yolu gezebilir ve tırmanabilir, ancak oldukça yavaştır; yine de diğer hidrolik güçli solucan botlarından daha hızlıdır. Tek bir şarjda, solucan 35 saat içinde 105 metre yol alır.

Araştırmacılara göre, solucan uzun ve dar geçitler gibi sınırlı ortamların keşfinde ve muhtemelen onarımlarda kullanılabilir. Medüz ise okyanus keşfinde kullanılabilir.

Deniz Araştırma Ofisi ve Enerji Bakanlığı’nın Temel Enerji Bilimleri Programı tarafından desteklenen bu araştırma sadece bir başlangıçtır; gelecekteki çalışmalarının odak noktası tamamen sıvı bir RFB olacaktır. Çalışma, özellikle yüksek enerji yoğunluğu ve düşük maliyetiyle polisülfür-iyodür bataryasının yumuşak robotik uygulamaları için umut vaat ettiğini belirtti.

Sonuç olarak, ekip yüksek kapasiteli, gömülü enerji robotları inşa etmeyi hedefliyor. Bu gelecekteki robotlar ayrıca iskelete sahip olacak ve hatta yürüyebilecek; bu da insanlara benzeyen robotlar ortaya çıkaracak.

\”Mükemmel olmayan bir organizma. Ancak hâlâ oldukça iyi iş çıkarıyor.\”

– Shepherd

İlgili Şirketler

Şimdi, robotik alanını ilerletmeye yardımcı olan birkaç halka açık şirkete bir göz atalım. 

1. iRobot Corporation

Küresel bir tüketici robot şirketi olan iRobot , dayanıklı robotların tasarımı, üretimi ve satışıyla ilgileniyor. Ürünleri arasında Roomba, Braava ve Root bulunuyor. iRobot, dünya çapında on milyonlarca robot satmıştır.

231 milyon dolar piyasa değerine sahip iRobot hisseleri şu anda hisse başına 7,59 dolardan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %2,45 düşüşte. EPS (TTM) -4,60, P/E (TTM) oranı ise -1,64.

En son olarak, şirket 2024’ün dördüncü çeyreği için ön finansal sonuçları açıkladı; bu sonuçlara göre 171 milyon dolar gelir ve 59 milyon dolar GAAP operasyonel zararı bekliyor. Ayrıca, 2024 mali yılının sonunda nakit ve nakit benzerlerinin yaklaşık 134 milyon dolar olmasını öngörüyor.

Sonuçlar, CEO Gary Cohen tarafından, \”2025 yeni ürün lansmanlarımızdan önce satışları teşvik etmek için beklenenden daha yüksek mevsimsel promosyon harcamalarını yansıtıyor\” şeklinde yorumlandı. Ayrıca iRobot’un \”yenilik, geliştirme ve robot üretim şeklimizi temelden değiştirdiğini\” ve planlanan ürün lansmanlarının \”özellik açısından zengin robotlarla tüketicileri heyecanlandırmak ve tüketici ürün deneyimini iyileştirmek\” amacıyla bu yıl piyasaya sürülmeye hazır olduğunu belirtti.

2. Teradyne

Küresel bir otomatik test ekipmanı ve robotik çözümler tedarikçisi olan Teradyne, dört segment üzerinden faaliyet gösterir; bu segmentler yarı iletkenler, kablosuz ürünler, depolama, uzay ve devre kartı sistemleri ile robotik, robot kolları, otonom mobil robotlar ve gelişmiş robot kontrol yazılımlarını kapsar.

Şirket, dünya çapında 80.000’den fazla gelişmiş robotik sistem kurdu ve gelişmiş robotik ve otomasyona 700 milyon doların üzerinde yatırım yaptı. Teradyne’in MiR robotları iç taşıma ve malzeme taşıma süreçlerini kolaylaştırırken, cobotları geniş bir uygulama yelpazesini destekler. Otomasyon çözümleri, işletmelerin makinelerin gücünü entegre ederek operasyonel verimliliği artırmasını sağlar.

18,74 milyar dolar piyasa değerine sahip Teradyne hisseleri şu anda hisse başına 116 dolardan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %8,61 düşüşte. EPS (TTM) 3,32, P/E (TTM) oranı 34,68. Şirket %0,42 temettü getirisi ödüyor.

2024’ün dördüncü çeyreği için şirket 753 milyon dolar gelir bildirdi; bunun 98 milyon doları robotik bölümünden, geri kalanı ise yarı iletken segmentinden geldi. Çeyrek için GAAP net gelir 146,3 milyon dolar veya seyreltilmiş hisse başına 0,90 dolar.

CEO Greg Smith, bu büyümeyi güçlü yapay zeka hesaplamaları ve ilgili bellekten, ayrıca Mobil ve Otomotiv/Endüstri segmentlerinin beklentileri aşmasından kaynaklandığını belirtti. Bu yıl gelir hızlanması bekleniyor; Teradyne, robotik işini stratejik olarak yeniden konumlandırarak müşteri deneyimini iyileştirmeyi ve operasyonel verimliliği artırmayı planlıyor.

3. Zimmer Biomet

Küresel bir tıbbi teknoloji şirketi olan Zimmer Biomet (ZBH ), biyolojik ürünler, spor tıbbı, ekstremite, travma ürünleri, cerrahi ürünler ve veri, veri analitiği ve yapay zekâ kullanan bir dizi robotik teknolojiyle ilgileniyor.

22 milyar dolar piyasa değerine sahip Zimmer Biomet hisseleri şu anda hisse başına 110,10 dolardan işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %4,72 artışta. EPS (TTM) 5,25, P/E (TTM) oranı 21,07. Şirket %0,87 temettü getirisi ödüyor.

2024’ün üçüncü çeyreği için şirket 1,824 milyar dolar net satış bildirdi; bu, bir önceki yıl dönemine göre %4 artış. Net kazancı 249,1 milyon dolar oldu. Çeyrek için seyreltilmiş hisse başına kazanç 1,23 dolar, düzeltilmiş seyreltilmiş hisse başına kazanç ise 1,74 dolar. Bu \”güçlü performans\”ın ardından CEO Ivan Tornos, \”milyonlarca insanın acısını hafifletmek ve yaşam kalitesini artırmak\” misyonunu ilerletmeye devam edeceklerini söyledi.

Bu dönemde şirket, total kalça protezi için yapay zekâ destekli cerrahi rehber sistemlerine odaklanan bir tıbbi teknoloji şirketi olan OrthoGrid Systems’ı satın aldı. Ayrıca, ayak ve ayak bileği hastalıklarının tedavisi için 1,1 milyar dolarlık bir anlaşmayla Paragon 28 adlı tıbbi cihaz şirketini de satın almayı planlıyor.

Sonuç

Otomasyon ve verimlilik talebi arttıkça, robotik de popülerliğini artırıyor. Bu güçlü büyüme ortamında, yumuşak robotik alt alanı birçok yenilik görüyor ve sağlık hizmetleri, keşif ve endüstriyel otomasyonda yeni uygulamaların kapılarını açıyor. 

Yaşayan organizmalardan ilham alan uyarlanabilirliği gömülü enerjiyle birleştiren yumuşak robotik evrimi, dayanıklılık ve enerji verimliliği konusundaki uzun süredir devam eden sınırlamaları nihayet aşma potansiyeline sahiptir. Hükümet girişimleriyle desteklenen araştırmacılar robot tasarımını ve çok işlevli enerji kaynaklarını geliştirmeye devam ettikçe, bu makineler giderek gerçeğe dönüşmekte, erişilebilirliği, verimliliği ve güvenliği artırmaktadır.

Yumuşak robotiklerin köpük akışkanlarından nasıl faydalanacağını öğrenmek için buraya tıklayın.