MIT araştırmacıları tarafından geliştirilen otomatik bir sistem; çok sayıda spesifikasyona göre optimize edilmiş, aktüatörler adı verilen karmaşık robotik parçalar tasarlıyor ve basıyor. Kısacası, sistem insanların elle yapması neredeyse imkansız olanı otomatik olarak yapıyor.
Science Advances’te yayınlanan bir makalede araştırmacılar, farklı açılardan farklı siyah beyaz görüntüler gösteren aktüatörler (elektrik sinyallerine cevap olarak robotik sistemleri mekanik olarak kontrol eden cihazlar) üreterek, sistemi göstermektedir.
Örneğin bir aktüatör, düz yatırıldığında Vincent van Gogh portresini canlandırıyor. Etkinleştirildiğinde bir açı oluşturuyor; o zamanda bir ünlü Edvard Munch resmi olan “Çığlık”ı canlandırıyor.
Aktüatörler, bir kontrol sinyaline yanıt olarak aktüatörün açısını kontrol eden, her biri farklı açık veya koyu renk olan, esneklik ve mıknatıslanma gibi bir özelliğe sahip, üç farklı malzemeden oluşan bir patchwork’ten yapılır. Yazılım; ilk önce aktüatör tasarımını, her biri malzemelerin herhangi biriyle doldurulabilecek milyonlarca üç boyutlu piksel veya “voksel”* olarak parçalamaktadır. Daha sonra; farklı vokselleri farklı malzemelerle doldurarak milyonlarca simülasyon gerçekleştiriyor. Sonunda, iki farklı açıda iki farklı görüntü üretmek için her bir vokselde her bir malzemenin en uygun şekilde yerleştirilmesine sağlar. Özel bir 3D yazıcı; aktüatörü, doğru malzemeyi doğru vokselde tabaka tabaka bırakarak imal eder.
Bilgisayar Bilimi ve Yapay Zeka Laboratuvarı (CSAIL) Araştırmacı Subramanian Sundaram: “Nihai hedefimiz otomatik olarak herhangi bir sorun için en uygun tasarımı bulmak ve daha sonra optimize edilmiş tasarımımızın çıktısını kullanarak üretmek. Matbaa malzemelerini seçmekten, en uygun tasarımı bulmaktan, nihai ürünü neredeyse tamamen otomatik bir şekilde imal etmeye gidiyoruz.”
Değişen görüntüler sistemin neler yapabileceğini gösterir. Ancak, görünüm ve işlev için optimize edilmiş aktüatörler; robotikteki biyomimiklik için de kullanılabilir. Örneğin, diğer araştırmacılar köpekbalığı cildi üzerinde takma diş taklit eden aktüatör dizileriyle, sualtı robot derileri tasarlıyorlar. Dentiküller; daha hızlı ve sessiz yüzmeyi ve sürüklenmeyi azaltmak için toplu olarak deforme olur.
Sundaram: “Derilerinin yüzeyini kaplayan, verimli bir şekilde sürüklenme ve dönme için optimize edilebilen tüm aktüatör dizilerine sahip sualtı robotlarını hayal edebiliriz.”
“Kombinatoryal Patlama”da Gezinme
Bugün robotik aktüatörler giderek daha karmaşık hale geliyor. Uygulamaya bağlı olarak; ağırlık, verimlilik, görünüm, esneklik, güç tüketimi ve diğer çeşitli fonksiyonlar ve performans ölçümleri için optimize edilmeleri gerekir. Genel olarak, uzmanlar optimum bir tasarım bulmak için tüm bu parametreleri manuel olarak hesaplar.
Bu karmaşıklığa ek olarak; yeni 3 boyutlu baskı teknikleri artık bir ürün oluşturmak için birden fazla malzeme kullanabiliyor. Bu, tasarımın boyutluluğunun inanılmaz derecede yüksek olduğu anlamına gelir.
Sundaram: “Geri bıraktığınız şey, temelde o kadar çok malzeme ve özellik kombinasyonuna sahip olduğunuz ‘birleşimsel patlama’ olarak adlandırılan şeydir, optimum bir yapı oluşturmak için her kombinasyonu değerlendirme şansınız yoktur.“
Çalışmalarında, araştırmacılar; ilk önce aktüatörlerini oluşturmak için ihtiyaç duydukları özel özelliklere sahip üç polimer materyali özelleştirdi: Renk, mıknatıslanma ve sertlik… Sonunda, neredeyse saydam sert bir malzeme, menteşe olarak kullanılan opak esnek bir malzeme ve manyetik bir sinyale yanıt veren kahverengi bir nanoparçacık malzeme ürettiler. Bütün bu karakterizasyon verilerini bir özellik kütüphanesine bağladılar.
Sistem; Van Gogh portresini görüntüleyen, ancak “Çığlık”ı göstermek için tam açıyla eğilen düz aktüatör gibi giriş gri tonlamalı görüntü örnekleri olarak kabul edilir. Temel olarak bir Rubik Küpü yeniden düzenlemek gibi biraz karmaşık bir deneme-yanılma şekli yürütür. Ancak bu durumda yaklaşık 5.5 milyon voksel bir görüntüyü eşleştirecek ve ölçülen bir açıya uyacak şekilde tekrar yapılandırılır.
Başlangıçta, sistem; farklı voksellere farklı materyalleri rastgele atamak için özellik kütüphanesinden çeker. Ardından, bu düzenlemenin iki hedef görüntüyü düz bir açıda canlandırıp yansıtmadığını görmek için bir simülasyon kullanır. Değilse, bir hata sinyali alır. Bu sinyal marka üzerindeki hangi voksellerin olduğunu ve hangisinin değiştirilmesi gerektiğini bilmesini sağlar. Örneğin kahverengi manyetik voksellerin eklenmesi, çıkarılması ve kaydırılması; bir manyetik alan uygulandığında aktüatörün açısını değiştirecektir. Ancak, sistem aynı zamanda bu kahverengi voksellerin hizalanmasının görüntüyü nasıl etkileyeceğini de düşünmelidir.
Voksel voksel…
Aktüatörün her bir yinelemedeki görünüşünü hesaplamak için araştırmacılar; “Işın İzleme” adı verilen ve nesnelerle etkileşime giren ışığın yolunu simüle eden bir bilgisayar grafik tekniği benimsemiştir. Simüle edilmiş ışık hüzmeleri aktüatörün her voksel kolonunda çekim yapar. Aktüatörler, 100’den fazla voksel katmanı ile imal edilebilir. Sütunlar; düz veya bir açıda farklı bir gri tonu yayan farklı materyal dizileriyle 100’den fazla voksel içerebilir.
Aktüatör düz olduğunda, örneğin; ışık demeti koyu kahverengi tonu üreten birçok kahverengi voksel içeren bir sütun üzerinde parlayabilir. Ancak aktüatör eğildiğinde, ışın yanlış hizalanmış voksellerde parlayacaktır. Kahverengi vokseller ışından uzaklaşırken, daha net vokseller; ışın içine kayarak daha hafif bir ton üretebilir. Sistem bu tekniği, düz ve açılı görüntüde olmaları gereken koyu ve açık voksel sütunlarını hizalamak için kullanır. 100 milyon veya daha fazla yinelemeden sonra ve birkaç ila onlarca saat arasında bir yerde, sistem hedef görüntülere uyan bir düzenleme bulacaktır.
Aktüatörleri imal etmek için, araştırmacılar; “talep üzerine bırakma” adı verilen bir teknik kullanan özel bir 3 boyutlu yazıcı inşa ettiler. Üç malzemenin tüpleri; baskı kafalarına ayrı ayrı kontrol edilebilen yüzlerce nozül ile bağlıdır. Yazıcı; belirtilen malzemenin 30 mikron büyüklüğünde bir damlasını ilgili voksel yerine yakar. Damlacık substrat üzerine indiğinde, katılaşır. Bu şekilde, yazıcı bir katman oluşturur.
Sundaram, eserin uçak kanatları gibi daha büyük yapıları tasarlamak için basamak taşı olarak kullanılabileceğini söylüyor. Örneğin, araştırmacılar şimdiden; benzer şekilde uçak kanatlarını, ağırlık, kaldırma ve diğer ölçümlerde tasarımlarını optimize etmek için daha küçük voksel benzeri bloklara bölmeye başladılar.
*Voxel-Voksel: Bir pikselin 3 boyutlu karşılığıdır. Piksel, bir noktayı 2 boyutlu olarak tanımlarken voxel bir noktayı 3 boyutlu uzayda tanımlayan grafik bilgisini ifade etmektedir. Sözcük, hacim elemanının veya hacim pikselinin kısaltmasıdır.
