BionicANTs Doğal bir modeli baz alan işbirliği davranışı Biyonik Karıncalar

Transkript

1 BionicANTs Doğal bir modeli baz alan işbirliği davranışı Biyonik Karıncalar

2 BionicANTs Ortak bir görevi çözmek üzere tasarlanmış yüksek ölçüde birlikte çalışan bağımsız sistemler Ayrıntılarla birlikte büyük resim de incelendiğinde Festo mühendisleri BiyoniKARINCAlar için yalnızca doğal karıncanın hassas anatomisini bir rol modeli olarak almakla yetinmedi; karmaşık kontrol algoritmaları kullanılarak bu canlıların işbirliği davranışı ilk kez teknoloji dünyasına aktarıldı. Doğal rol modelleri gibi BiyoniKARINCAlar da kesin kurallar altında beraber çalışıyorlar. Birbirleriyle iletişim kurarken hem eylemlerini hem de hareketlerini koordine ediyorlar. Her karınca kendi kararını otonom bir biçimde veriyor ancak bunu yaparken her zaman ortak hedefin şemsiyesi altında kalıyor ve bu nedenle ortak görevi yerine getirmek için kendi payına düşen davranışı yerini getiriyor. Geleceğin üretimi için özendirici Soyut bir çerçevede bu işbirliği davranışı geleceğin fabrikasına ilginç yaklaşımlar sağlıyor. Geleceğin üretim sistemleri, farklı üretim senaryolarına göre kendi kendini esnek biçimde ayarlayan ve böylelikle görevleri daha üst bir denetim seviyesinden yürüten akıllı ekipmanlar üzerinde yükselecek. BiyoniKARINCAlar bağımsız birimlerin farklı durumlara nasıl tepki verebildiklerini, birbirleriyle koordinasyon yapabildiklerini ve toplamda bir ağ sistemi olarak nasıl davranabildiklerini gösteriyor. Bu yapay karıncalar birlikte iterek ve çekerek, tanımlı bir alanda bir nesneyi taşıyor. Akıllı iş bölümü sayesinde tek başına bir karıncanın taşıyamayacağı yükleri bir yerden bir yere etkili bir biçimde aktarabiliyorlar. En küçük hacimde fonksiyonel entegrasyon Ancak, yapay karıncaların yalnızca işbirliği davranışları değil üretilme biçimleri de benzersizdir. İlk kez adına 3D MID proses denilen görünür iletken yapılarıyla lazer sinterli bileşenler gövde üzerinde art arda bezenmiştir. Elektrik devreleri bileşenlerin yüzeyine yapıştırılmış oldukları için tasarım ve elektrik fonksiyonlarını aynı anda yerine getirebilirler. Böylelikle tüm teknik bileşenler karıncanın gövdesinin içine veya üzerine yerleştirilebilir ve birbiriyle tam anlamıyla koordineli çalışabilirler. İşler duruma getirildikten sonra harici bir kontrol sistemi gerekmez. Bununla beraber kablosuz olarak tüm parametreleri izlemek ve düzenleyici bir müdahalede bulunmak mümkündür. 2 Festo AG & Co. KG

3 01: İyi düşünülmüş bir isim: ANT [Karınca] hem doğal rol modelini hem de Autonomous Networking Technologies [Otonom Ağ Teknolojileri] bilim dalını ifade ediyor 02: İyi düşünülmüş bir konsept: Çeşitli bileşenler, teknolojiler ve fonksiyonlar hacimlerin en küçüğünde, her karıncada birleştirildi Çıkış aşamalarına sahip halka devre 300 V sabit gerilim ve aktüatör teknolojisine arabirim Radyo modülü Karıncalar arası iletişim Şarj devresi Piezo seramik eğme dönüştürücüleri için gerekli olan 8,4 volttan 300 volta kesintisiz dönüşüm İşlemci Gerekli tüm sinyalleri değıtır ve aktüatörleri etkinleştirir Anten Şarj istasyonu bağlantısı 3D stereo kamera Kendi konumunu belirleme ve farklı nesne algılama Optik sensör çipi Yer yapısı yardımıyla kat edilen mesafeyi kaydeder Piezo-seramik eğme dönüştürücüleri Kavrayıcı çeneyi hareket ettirir Şarjlı piller 40 dakikaya varan çalıştırma sürelerine sahip 2 adet 2Li-Po 8,4 V pil Piezo-seramik eğme dönüştürücüleri İleri ve geri yöne doğru itme hareketi Bacağı kaldırır ve ileri iter Ayrıca BiyoniKARINCAlar tasarım ve yapıları anlamında doğal rol modellerine çok benzer. Nesneleri kavramak için kullanılan ağız aracı bile doğruya en yakın biçimde yinelenmiştir. Kıskaç hareketi çenede aktüatörler olarak konumlandırılan iki adet piezo-seramik eğilen dönüştürücüler tarafından sağlanır. Bu küçük plakalara eğer bir elektrik akımı uygulanırsa, eğilirler ve tutucu çenelere mekanik hareketin yönünü iletirler. Piezo-teknolojinin yeni uygulaması Festo yapay karıncaların ayakları için de piezo teknolojiden yararlanmıştır. Piezo elementleri çok hassas ve hızlı bir biçimde kontrol edilebilir. Az enerji tüketir, aşınmaya dayanıklıdır ve çok yer kaplamazlar. Üç adet trimorfik piezo-seramik eğilen dönüştürücü hem aktüatör hem de bir tasarım öğesi olarak hizmet verir ve bu nedenle her baldıra takılmışlardır. Üst eğici dönüştürücünün yönünü değiştirerek karınca bacağını kaldırır. Altındaki çiftle her dönüştürücü her bacak tam olarak öne ya da arkaya eğilebilir. Görece küçük bir kaldırmayı artırmak için ekip esnek bir menteşe eklemi tasarlayarak karıncanın adım boyutunu ciddi oranda arttırmıştır. İşbirliği davranışı için yüksek derecede karmaşık kontrol algoritmaları İki adet şarj edilebilir pil taşıyan karıncalar duyargalarıyla buldukları bir şarj istasyonuna bağlanmadan 40 dakika çalışabilir. Tüm aksiyonlar, matematik modelleme ve simülasyon kullanılarak önceden denenmiş dağınık bir kurallar dizisine dayalıdır ve her karınca üzerine kayıtlıdır. Merkezi kontrol stratejisi, içindeki katılımcıların hiyerarşik olarak düzenlenmiş olmadığı çok etkenli bir sisteme göre hizmet verir. Böylece tüm BiyonikKARINCAlar dağınık zeka sayesinde beraber bir çözüm bulma sürecine katkıda bulunur. Bunun için karıncalar arasında gerekli olan bilgi alışverişi bedene yerleştirilmiş radyo modülüyle sağlanır. Kamera sistemiyle yer sensörü beraber çalışıyor Karıncalar başlarında yer alan 3D stereo kamerayı kullanarak kavrama nesnesini ve kendi konumlarını belirler. Bu kameranın yardımıyla yer işaretçilerini kullanarak her karınca kendini bulunduğu çevre içinde konumlandırabilir. Karın bölgesindeki optik-elektrikli sensör yer yapısını kullanarak karıncanın yere göre nasıl hareket edeceğini belirler. Bu iki sistemin birleşimiyle her karınca, görüşü geçici olarak engellense bile, kendi pozisyonunu bilir. BionicANTs 3

4 BionicANTs Doğal bir modeli temel alan işbirliği davranışı

5 Karıncalara ait özellikler Karıncalar, kendi vücut ağırlıklarının yüzlerce katını kaldırabilen endüstri işçileri olarak görülür. Açık bir hiyerarşi düzenine ve kurallar dizisine sahip büyük koloniler halinde yaşarlar. Bir karınca kolonisinde her canlı hangi görevlerin yapılması gerektiğini bilir. Böylelikle tek bir karıncanın kendi kendine başaramayacağı işleri tamamlayabilirler. Festo nun teknik avantajları Festo bu işbirliği davranışını yakından inceleyerek bunu BiyonikKARINCAlar a aktardı. Yapay karıncalar kendi kendini organize eden bağımsız bileşenlerin birbiriyle nasıl iletişim kurduğunu ve karmaşık bir görevi, ağ içinde birbirine bağlı toplu bir sistem olarak çalışarak nasıl yerine getirdiğini soyut bir biçimde gösteriyorlar.

6 BionicANTs Yeni teknolojileri ve üretim metodlarını geliştirme platformu Dünya çapında yılda den fazla patent ve 100 yeni ürün aslında fazla söze gerek bırakmıyor: Festo müşterilerine her zaman yenilikçi otomasyon çözümleri sunarken gözünü geleceğin üretim ve çalışma dünyalarından ayırmaz. The Bionic Learning Network bu amaca hizmet veren yeni yaklaşımları ve itici gücü içeren projeleri içerir. Üniversiteler, enstitüler ve geliştirme firmalarıyla işbirliği içerisinde olan Festo doğal fenomenleri mühendisliğe aktarmak için gereken özel donatıma sahiptir. Milyonlarca yıllık tarihi boyunca doğa, çevreye adapte olabilmek için mümkün olan ve Festo nun esas çalışma alanına uygulanabilen en geniş optimizasyon aralığını üretmiştir. Bu optimizasyonlardan biri de hayvanların birbiriyle nasıl iletişim kurduğudur. Mühendisler karıncaların özel bir davranışını çeşitli teknolojileri birleştirerek uygulamayı başardılar. Birbirleriyle yüksek derecede entegre ve aynı zamanda yerel seviyede kendi zekalarıyla hareket eden mikro-sistemler için temel tasarım prensiplerini gerçekleştirdiler. Böylelikle karıncalar geleceğin ve sonrasının muhtemel üretim senaryolarını göstermiş oldular. Ağ içindeki eksiksiz sistemlerin testi Üretim dünyasında temel bir değişiklik yaşanıyor. Gelecek esnekliğin ve dönüşümün sınırlarını zorluyor. Gelecekte, trend özelleştirilmiş ürünlere doğru gittikçe artan bir hızla ilerleyecek. Dolayısıyla ürünler için oluşacak taleplerdeki küçük miktarlar ve yüksek düzeyde çeşitlilik, değişen koşullara sürekli olarak adapte olabilen teknolojiler gerektirir. Geleceğin endüstri tesislerindeki bileşenler bu nedenle kendi kendilerini koordine edebilmeliler. Şimdi merkezi bir yönetici bilgisayar tarafından yönetilen görevler gelecekte bu tür bileşenler tarafından devralınacak. Bunlar gibi eksiksiz (ve bir ağ içinde birbirine bağlı) sistemleri mümkün kılabilmek için Festo hassas cihaz mühendisliği ve mikro-sistem teknolojileri gibi alanlarda geliştirme çalışmalarını yoğun bir şekilde sürdürüyor. Bu alanlarda, ayrıca, bir dizi materyal ve üretim metodu da test ediliyor ve böylesine küçük alanlarda işlevsel entegrasyon ilk kez olanaklı oluyor. The Bionic Learning Network ün araştırma platformları böylelikle hem doğal prensiplere araştırmanın hem de bunları yeni metotlarla uygulamanın bir yolu oluyor. 6 Festo AG & Co. KG

7 01: İdeal platform: Yeni teknolojileri test için araştırma temeli 02: Yüksek derecede entegre bileşenler: Bir arada tasarım ve elektrik fonksiyonları 03: Hassas kontrol: Bacak aktüatör teknolojisinde piezo seramik tabanlı dönüştürücüler 04: Benzersiz kombinasyon: Lazer sinterli parçalarda 3D MID teknolojisi Yeni üretim teknolojilerinin kullanımı Seçmeli Lazer Sinterleme (SLS) Festo nun çeşitli biyonik projelerde test ettiği ve geliştirdiği ek bir üretim teknolojisi. BiyoniKARINCAların gövdeleri de, lazerle katman katman eritilen poliamit tozundan üretildi. Ancak Festo, şimdi ilk kez sinterli bileşenleri 3D MID teknolojisiyle birleştiriyor. 3D Kalıplanmış Bağlantı Cihazlarında gövde üzerinde rahatça görülebilen iletken izleri elektronik ve mekatronik alt bileşenler için elektronik devre görevi görüyor ve bu sayede herhangi bir kablolamaya gerek kalmadan parçaların montaju kolayca gerçekleşebiliyor. MID teknoloji uygulamalarının iyi bilinen alanları otomotiv imalatı, sağlık, iletişim mühendisliği, havacılık ve uzay endüstrisidir. Festo şimdi ilk kez bu teknolojiyle minyatür robotlar üretiyor ve böylece ürün geliştirme alanını yakında ele geçirebilecek bir üretim metodu hakkında yeni bilgiler ediniyor. Denenmiş ve test edilmiş beceriler geliştirmek Piezo teknolojisi alanında, Festo daha şimdiden yıllarla ifade edilen bir tecrübeye sahip. İsviçre de kurulmuş olan Festo Microtechnology AG piezo üretimi için yetkinlik merkezidir. Festo ayrıca burada, akış ve basınç regülasyonunun bir arada çalıştığı oransal valfler üretiyor. Festo tarafından üretilen piezo valfleri başka alanların yanı sıra araçlarda koltuk konforu valfleri olarak kullanılıyor. Bu valfler, ayrıca laboratuvar otomasyonunda ve sağlık teknolojisi alanlarında da kullanılabilir; taşınabilir nefes alma aparatlarında hava ve oksijen tedariğinin doğru miktarda ayarlanmasını sağlayabilirler. Düşük enerji tüketimleri pil değişiminin seyrek olması gerektiği anlamına gelir. Son olarak, geçiş işlemi nerdeyse hiç ses çıkartmadan çalışarak hastaların daha fazla rahatsız olmasının önüne geçer. Bu arada piezo-seramik aktüatörler esas olarak basınç sensörleri olarak ve enerji geri kazanım amaçlarıyla kullanılır. Yine de minyatür robotlarda kullanılmalarına son derece nadirdir. BiyoniKARINCAlar hareket konseptiyle, Festo bir kez daha teknolojinin alışıldık biçimlerinin nasıl yeni metotlarla kullanılabileceğini gösteriyor. BionicANTs 7

8 Teknik veriler Proje katılımcıları Uzunluk: mm Yükseklik:...43 mm Genişlik: mm Ağırlık: g Adım boyutu:...10 mm Beden ve bacak materyali:...poliamit, lazer-sinterli Duyarga materyali:...çelik yay 3D MID:...Lasermicronics tarafından lazer yapılandırma ve altın kaplama Tutucu aktüatör teknolojisi:... 2 trimorfik piezo seramik eğme dönüştürücüleri ( mm) Bacak aktüatör teknolojisi: trimorfik piezo seramik... eğme dönüştürücüleri ( mm) Stereo kamera:... Delft Teknoloji Üniversitesi nine... Micro Air Vehicle (MAV) laboratuvarı Radyo modülü:... JNtec Optik-elektrik sensörü:...avago Technologies ten ADNS-2080 İşlemci:... Cortex M4 Şarjlı piller: mah Li-Po pil, 8.4 V Projeyi başlatan: Dr. Wilfried Stoll, Yönetici Ortak Festo Holding GmbH Proje yönetimi: Dr. Heinrich Frontzek, Dr Elias Knubben Festo AG & Co. KG Proje ekibi: Nadine Kärcher, Mart Moerdijk, Sebastian Schrof, Dr. Alexander Hildebrandt, Danny Hameeteman, Jochen Spohrer, Festo AG & Co. KG Kontrol teknolojisi: Profesör Knut Graichen, Sebastian Hentzelt, Ulm Üniversitesi, Ölçme, kontrol ve mikro-teknoloji enstitüsü Bilimsel destek: Dr. Nina Gaißert, Festo AG & Co. KG è Film en 4/2015