Ayağındaki jel zarla metalden beslenen robot: pil yerine zemin

Küçük robotun en büyük sorunu enerjidir, hesap değil

Milimetre-santimetre ölçeğindeki robotlarda zor olan şey yürümek ya da yön bulmak değil; yakıtı taşımak. Pil küçüldükçe içinde taşıdığı enerji de küçülür, ama robotun motoruna gereken anlık güç küçülmez. Makalenin özetinde bu açmaz şöyle anlatılıyor: mikro ölçekte alışıldık teknolojiler "yeterli enerji yoğunluğu ile gücü aynı anda sağlamakta" zorlanıyor.

İşin bir de ikinci yarısı var. Pili büyütmek yerine çevreden enerji toplama yolları denendi — titreşimden, sürtünmeden elektrik üreten triboelektrik ve elektrostatik yöntemler gibi. Bunların ortak derdi şu: topladıkları güç, bir motoru çalıştırmaya değil ancak bir algılayıcıyı uyandırmaya yeter. Fudan ekibinin yaklaşımı farklı bir yere basıyor: enerjiyi hareketten değil, zeminin kimyasından alıyor.

Ayağın altındaki şey bir pil değil, açık bir pil

Robotun ayağına yapıştırılmış katman, çapraz bağlı potasyum poliakrilat bir zar. Bu malzemeyi tanıyorsunuz: poliakrilat jeller, bebek bezlerinin içindeki suyu kilitleyen süper emici tozların ailesinden. Burada jelin işi su tutmak değil yalnızca — tuttuğu su ve potasyum hidroksit, zarı bir elektrolite, yani iyonların yüzebildiği ıslak bir köprüye çeviriyor.

Devre şöyle kuruluyor: ayak alüminyum, çinko, silisyum, kalay ya da kurşun bir yüzeye değdiği anda zemin elektron vermeye başlıyor. Zarın öbür yüzünde ince bir platin/karbon film var; orada havadaki oksijen ile su bu elektronları alıp hidroksit iyonu üretiyor. Kısacası robot, zemini anot gibi, atmosferi ise katot gibi kullanıyor. Kapalı bir kutuya hapsedilmiş pil yerine, havaya açık bir metal-hava hücresi.

Bu tasarımın en zarif yanı anahtarı: temas varsa tepkime var, ayak kalkınca tepkime duruyor. EurekAlert üzerinden yayımlanan kurum bülteninde bu özelliğin, beklemede dururken kendini tüketen pillerin tersine, performans kaybını önlediği belirtiliyor. Bioengineer'ın aktardığı ayrıntıya göre tepkimenin kurulma süresi yaklaşık 0,1 milisaniye — yürüyüş adımlarının ritmine rahatça yetişecek bir hız.

Ölçülen sayılar

Aşağıdaki değerler makalenin özetinden, Science China Press'in dağıttığı kurum bülteninden ve New Atlas'ın haberinden derlendi; hepsi laboratuvar koşullarındaki ölçümler.

Tablodaki en yanıltıcı satır "on kat" olanı. Buradaki karşılaştırma enerji değil güç yoğunluğu, yani birim alandan anlık olarak ne kadar akım çekilebildiği. Bir mikropil toplam ne kadar iş yapabileceğiyle, bu zar ise o işi ne kadar hızlı yapabileceğiyle öne çıkıyor — ve zemin bitmediği sürece "toplam" sorusu robotun derdi olmuyor.

Zar aynı zamanda bir duyu organı

Çalışmanın enerji kısmından daha ilginç olan yanı belki de şu: aynı zar, üzerinde yürüdüğü malzemeyi ve yüzeyin pürüzlülüğünü ayırt edebiliyor. Makalede bunun mekanizması zarın içindeki iyon göçü örüntülerine bağlanıyor; farklı metaller farklı iyon akışı imzası bırakıyor. Ekip buna "aktif enerji arayışı" (active energy pursuit) diyor — robot, kendisini besleyen yüzeyleri tanıyıp onlara yönelebiliyor.

Yani ayak hem benzin deposu hem de burun. Enerjisini nereden alacağını kendisi bulan bir makinede, pili ve ayrı bir malzeme algılayıcısını tek bir 135 mikrometrelik katmana sıkıştırmak, ağırlık bütçesi gram cinsinden tutulan bir robot için önemsiz bir tasarruf değil.

2020'de ortaya atılmış bir fikrin devamı

Zemini yakıt saymak yeni bir düşünce değil. Min Wang, Unnati Joshi ve James H. Pikul 2020'de ACS Energy Letters dergisinde "metal-hava yiyici" (metal air scavenger) adını verdikleri bir düzeneği tanıtmıştı; TÜBİTAK'ın Bilim Genç sitesi bu çalışmayı aynı yıl Türkçeye aktarmıştı. Oradaki mantık da buna çok benziyor: dokunulan metal anot görevi görüyor, arada bir hidrojel elektrolit duruyor, elektronlar katoda akarken cihaz besleniyor.

Fudan çalışmasının getirdiği fark ölçek ve bütünleşme. 2020'deki düzenek bir cihaza takılan bir enerji toplayıcıydı; buradaki zar doğrudan robotun ayağının üzerinde, tek adımda kimyasal olarak büyütülüyor — akrilik asit monomeri, çapraz bağlayıcı, başlatıcı ve potasyum hidroksit ayağın üstünde polimerleştiriliyor. Ayrı bir parça takıp bağlamak yerine, robota deri gibi büyüyen bir katman.

Neyi yapamıyor

Burada "pilsiz robot" cümlesinin sınırlarını net çizmek gerekiyor. New Atlas'ın haberine göre düzenek plastik, cam, toprak ya da organik doku üzerinde elektrik üretemiyor — çalışması için uygun bir metalin ya da silisyumun üzerinde olmak zorunda. Yani bu, dünyanın her yerinde beslenen bir robot değil; fabrika zemini, boru içi, devre kartı gibi zaten metal olan ortamlar için bir çözüm.

İkincisi, zar bakım istiyor. Aynı habere göre potasyum hidroksit elektroliti havayla zamanla bozuluyor ve belirli aralıklarla elle takviye edilmesi gerekiyor. Robot 150 gün boyunca aralıklı çalışırken yaklaşık 2 gram alüminyum tüketmiş — pili yok ama tamamen kendi başına da değil.

Üçüncüsü, ölçümler denetimli bir laboratuvar ortamında yapıldı. Yayımlanan özette robotun hızı, yük taşıma kapasitesi ya da pürüzlü, kirli, yağlı gerçek zeminlerde ne kadar dayandığına dair bir sayı yok. 1.000.000 adımlık kararlılık rakamı da robotun kesintisiz yürüdüğü bir maraton değil, zarın dayanıklılık sınamasının sonucu.

Sırada ne var

Bu yaklaşımın gerçek sınavı, zeminin seçilmediği yerlerde olacak. Bir robot kendi yakıtını bastığı yüzeyden alıyorsa, o yüzeyi kemirdiği de doğrudur: 150 günde 2 gram alüminyum, bir levha için önemsiz ama bir devre kartı ya da ince bir boru cidarı için öyle değil. Kendi beslendiği yapıyı tüketen bir makineye hangi işi güvenle verebiliriz — ve zemini yiyip bitirmeden önce robotun yerini değiştirmesini kim söyleyecek?

Daha açık bir soru da duyu tarafında: zar hangi metalin üzerinde olduğunu ayırt edebiliyorsa, bir robot sürüsü aynı zemini paylaşırken birbirinin bıraktığı kimyasal izi de okuyabilir mi? Ekip bu yönde bir iddiada bulunmuyor; ama ayağın altındaki ıslak jelin hem yakıt hem haber taşıyabildiği bir sistemde, sorunun kendisi artık mantıksız değil.

Fotoğraf: David S. Soriano, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons