Sinek kuşu gagası, gelecekteki mikro makine tasarımına giden yolu işaret ediyor

Bir Cornell araştırma ekibi, proteinlerin ve sinek kuşu gagalarının işleyişinden esin alan karmaşık mikro ölçekli makineler tasarlamak için yeni bir yol geliştirdi.

Grubun “Bifurcation Instructed Design of Multistate Machines” adlı makalesi gösterildi. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. Baş yazar, Fen Edebiyat Fakültesi’nde fizik profesörü olan Itai Cohen’in laboratuvarında Schmidt AI doktora sonrası araştırmacısı olan Itay Griniasty’dir.

Gittikçe küçülen makineler yapmak, bileşenleri küçültmekten ibaret değildir. Makroskobik makineler tipik olarak bölümlere ayrılacak, bir görevi minik parçalara bölecek ve her birini makinenin değişik bir parçasına atayacak şekilde tasarlanırken, biyolojinin çoğundan görevli olan muhteşem mikroskobik makineler olan proteinler değişik bir tasarıma haizdir. Görevler çoğu zaman proteinin tüm bileşenlerinin koordineli hareketiyle gerçekleştirilir, bu da onları mikroskobik dünyanın kaosuna karşı daha dayanıklı kılar.

Daha ilkin, Cohen’in grubu, kendi kendine katlanan yapılardan yürüyen mikrorobotlara kadar, boyutlarına gore yenilikçi sadece işlevleri nispeten kolay olan bir takım mikro ölçekli aygıt yapım etmek için origami ilkelerini kullanmıştı. Origami sayfalarına işlevsellik eklemek sıkıntılı bir vazife olarak ortaya çıkıyor.

“Şimdiye kadar yaptığımız makineler oldukça fakat oldukça kolay. Sadece yüksek oranda bağlantılı sistemlerde işlevselliği iyi mi artıracağımızı düşünmeye başladığımızda, makinenin bir parçasını her hareket ettirdiğinizde tüm parçaların hareket ettiğini fark etmeye başladık. öteki parçalar hareket ediyor,” dedi Cohen. “Çıldırtıcı, bundan dolayı hiçbir şeyi izole edemezsiniz, hepsi bu sayfalarda birbirine bağlı. Sonrasında bunun mikroskobik dünyada iyi mi yapıldığını sormaya başladık.”

Bir proteinin, birkaç parametredeki minik değişikliklere cevap olarak durumlar içinde zıplayan bir makine olarak düşünülebileceğini söylediler. Araştırmacılar, makro ölçekte bu tür bir işlevsellik örneğinden esin aldılar: sinek kuşu.

John F. Carr Makine Mühendisliği Profesörü Andy Ruina tarafınca 2010 senesinde meydana getirilen bir araştırma, bir sinek kuşunun gagasının “alt çene kasları tarafınca uygun bir bükme ve bükme eylemleri dizisi vesilesiyle sorunsuz bir halde açılıp arkasından ansızın kapatılabileceğini” gösterdi.

Bu sistem, çene kasları tarafınca uygulanan kuvvetlere bağlı olarak, gaganın tek bir kesin duruma, doğrusu kapalı ya da hem açık hem de kapalı olmak suretiyle iki kesin duruma haiz olabileceği, zirve çatallanma isminde olan matematiksel bir fikirle açıklanır. Tek kesin durumun iki kesin duruma ayrılmış olduğu nokta zirve çatallanmasıdır.

Bir zirve çatallanma çevresinde çalışmanın pozitif yanları, bir çift temel tasarım özelliği sağlamasıdır. İlki, bir cihazın performansında tutarlılık elde eden topolojik korumadır; böylece çene kasları birazcık değişik şekilde çekildiğinde gaga gene de açılıp ansızın kapanabilir. İkincisi, gagada büyük bir değişikliği etkinleştirmek için kasların yalnızca birazcık hareket etmesini elde eden kaldıraç avantajıdır. Bunlar tam olarak mikro ölçekte fonksiyon elde etmek için lüzumlu olan bileşenlerdir.

Cohen, Griniasty ve işbirlikçileri, ikiden (doğrusu açık ve kapalı) bir çatallanma mevzusunda örgütlenen eyaletlerin sayısını düzinelere yada muhtemelen yüze çıkarıp çıkaramayacaklarını merak ettiler. Bu uzantı, karmaşık işlevleri yerine getiren makinelerin tasarımına müsaade edecektir.

Griniasty, “Bölümlere ayrılmış işlevi birleştirmek yerine, bu kabiliyetler tüm nesneden ortaya çıkacaktır” dedi. “Beraber dans ediyor.”

Araştırmacılar, her ikisi de ortak yazar olan Teaya Yang ’22 ve Yuchao Chen ’19’u, sistemin üç kesin durum içinde süratli bir halde geçiş yapmasına yada sorunsuz bir halde geçiş yapmasına müsaade eden bir kelebek çatallanma ile konsept kanıtı makro ölçekli manyeto-elastik bir model oluşturmak için işe aldı. Model, biri bir düzlemde hareket ederken diğeri durağan(durgun) bir menteşe çevresinde serbestçe dönebilen iki panelden oluşuyordu. Her açık oturum, proteinlerde bulunanları anımsatan karmaşık etkileşimler yaratan, birbiriyle etkileşime giren dokuz mıknatısla dekore edildi.

Bununla beraber, aslolan güçlük, istenen çatallanmayı teşvik edecek manyetik desenleri tasarlamak için bir yöntem bulmaktı. Griniasty ve David Hathcock, Ph.D. ’22, AR Bullis Fahri Matematik Profesörü (A&S) John Guckenheimer’ın dinamik sistem çalışmasına dayanan bir algoritma geliştirerek probleminin üstesinden geldi.

Cohen, “Birden fazla denge oluşturmak için bu manyetik kalıpları tahmin etmeye çalışırsak, hesaplama gücümüz tükenirdi” dedi. “Bu yüzden Itay, aramayı basitleştiren oldukça güzel bir algoritma tasarladı.”

Bir sonraki adım, konsepti mikro ölçekte göstermek olacaktır.

Cohen, “Yaptığımız tipik robotlar benzer biçimde 100 mikronluk bir makine için Itay, 20 ayrı duruma ulaşabileceğimizi hesapladı” dedi. “Bu, mikro ölçekte yapılabileceğini düşündüğümüz türden bir şey; panellerden birini hareket ettirmek için bir aktüatör kullandığım bir makine ve tüm makinenin konfigürasyonu 20 değişik konfigürasyon içinde geçiş yapabiliyor. diyelim ki, sıvı içinde hareket edin yada karmaşık bir kavrama eylemi gerçekleştirin.”