Millifluidics ile Yumuşak Dijital Saat Dönemi: Saatler Artık Tıkırdıyor

Elektronlar; araçlarımızı hareket ettirmekten şehirlerimizi aydınlatmaya ve günümüzün en temel ihtiyacı olan hesaplama işlemlerine kadar modern dünyanın kalbinde yer alıyor. Ancak hesaplama yeteneği yalnızca elektronik dünyasına mahsus değil. Elektronik dışı alternatif alanlara yönelmek, benzersiz avantajların kapısını aralayabiliyor. Örneğin, fotonik çipler bilgiyi ışıkla işleyerek minimum ısı üretirken, bir diğer dikkat çekici alternatif olan "fluidics" (akışkanlar dinamiği), mantık devreleri kurmak için basınçlı gazlar veya sıvıları kullanıyor.

1960'larda öncülüğü yapılan ancak mikroçiplerin yükselişiyle arka plana itilen fluidics alanı, 1990'larda "mikrofluidik" olarak yeniden doğdu. Bu yaklaşım, entegre mikropnömatik kontrol sistemlerine sahip mikroskobik sıvı kanalları oluşturarak, koca bir laboratuvarı tek bir çip üzerine sığdırmayı hedefliyordu. Günümüzde ise bu alan, yumuşak robotik (soft robotics) dünyasında ikinci bir rönesans yaşıyor. Mikrofluidik tasarımların milimetre ölçeğine taşınmasıyla ortaya çıkan "millifluidics", robotik aktüatörleri çalıştırmak için gereken daha yüksek akış hızlarına imkan tanıyor. Bu robotlar, yumuşak malzemelerin doğrusal olmayan davranışlarını kullanarak yaşam benzeri hareketler ve daha güvenli etkileşimler oluştururken genellikle basınçlı havadan yararlanıyor.

Sistemlerin, onları hareket ettiren hava ile aynı zamanda "düşünmesini" sağlayarak, hantal elektronik-pnömatik arayüzlere olan ihtiyacı ciddi oranda azaltmak mümkün. Soiboi Studio robotik laboratuvarının odak noktası olan millifluidic mantık sistemleri, basit bir osilatörden başlayarak karmaşık tasarımlara doğru evrildi ve bu sürecin en son meyvesi, yumuşak yapılı, dört haneli ve yedi segmentli bir ekrana sahip olan sıra dışı bir saat oldu. Standart 3D yazıcılar ve silikon döküm yöntemleriyle geliştirilen bu cihaz, esnek bir membranın, hava kanallarıyla donatılmış sert katmanlar arasına yerleştirildiği basit ama etkili bir mimariye dayanıyor.

Elektronik devrelerin farklı voltaj potansiyellerine dayanması gibi, bu akışkan devreler de atmosfer basıncı (mantıksal 0) ile yaklaşık -60 kilopaskal değerindeki vakum (mantıksal 1) arasındaki basınç farkıyla çalışıyor. Negatif basınç kullanımı, membranın açıklıklara doğru çekilmesini sağlayarak güçlü sızdırmazlıklar oluşturuyor ve böylece elektronik yapı taşlarının akışkan versiyonlarını kopyalamaya olanak tanıyor. Sistemin kalbinde, metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistörlerin (MOSFET) işlevini taklit eden bir vakum "transistörü" yer alıyor. Bu transistör; kaynak ve tahliye odalarından oluşan bir akış katmanı ile bir boşluk içeren kontrol katmanından (gate) oluşuyor. Normalde hava akışını engelleyen membran, kontrol katmanına vakum uygulandığında yukarı çekilerek yolu açıyor ve elektrik devresinin kapanmasına eşdeğer bir hava akışı sağlıyor. Ayrıca membrana eklenen küçük bir açıklıkla, diyotların akışkan karşılığı olan çekvalfler oluşturulabiliyor.

Bu sistemin 3D yazıcılarla üretilmesi, plastik malzemelerin gözenekli yapısı nedeniyle ciddi mühendislik zorlukları beraberinde getirdi. Hava sızdırmazlığını sağlamak için yüksek sıcaklıklar, düşük hızlar ve hafif aşırı ekstrüzyon teknikleri kullanılarak mikroskobik boşluklar dolduruldu. Şeffaf filament kullanımı, gözeneklilik oranını görsel olarak takip etmeyi kolaylaştırdı; plastik ne kadar şeffafsa, gözeneklilik o kadar düşük oluyordu. Ayrıca, baskı yüzeyinde cam kullanılarak elde edilen ayna pürüzsüzlüğündeki yüzeyler, 0.3 milimetrelik silikon membranın katmanlar arasında güvenli ve sızdırmaz bir şekilde sabitlenmesini sağladı.

Yumuşak saatin ekranı, döküm silikon bir membrandan oluşuyor. Her bir rakam segmentinin altında küçük bir boşluk bulunuyor; bu boşluktan hava tahliye edildiğinde membran içeri çekilerek konkav bir çukur oluşturuyor, atmosfer basıncı geri geldiğinde ise silikon tekrar yüzeyle aynı hizaya dönüyor. Bu durum, saate organik ve büyüleyici bir hareket kazandırıyor. Saatin "beyni" olarak bir Arduino Uno kullanılsa da, millifluidic sistemler donanım ayak izini önemli ölçüde azaltıyor. Normalde iki ayırıcı nokta içeren dört haneli bir ekranı doğrudan kontrol etmek için 29 solenoid valf gerekirken, bu sistem yalnızca 11 valf ile çalışabiliyor.

Sistemin çalışma prensibi, standart elektronik LED ekranların kullandığı veri yolu (bus) mantığına benziyor. Ancak hava ile yüksek hızlı anahtarlama yapmak mümkün olmadığından, sistem "hafıza" yöntemine başvuruyor. Her segment bir kapasitör gibi davranıyor; boşluk vakumlandığında segment "şarj" oluyor, basınç geri geldiğinde ise "deşarj" oluyor. Böylece her rakam, bağımsız bir 7-bitlik hafıza görevi görüyor ve sızdırmazlık sağlandığı sürece segmentler durumlarını birkaç saniye boyunca koruyabiliyor. Yedi hatlı bir veri yolu üzerinden gelen vakum veya atmosfer basıncı, her rakamın önündeki akışkan transistörler aracılığıyla yönlendiriliyor. Bir "yazma etkinleştirme" hattı sayesinde, hangi rakamın hafızasına veri yazılacağı seçiliyor.

Saat, her saniye bir rakamı güncelleyecek şekilde çalışıyor ve tüm ekranın tamamlanması 4 saniye sürüyor. Bu döngü aynı zamanda ayırıcı noktaları da kontrol ediyor; akışkan diyotlar, etkinleştirme hatlarını noktaların boşluklarına bağlayarak her rakam seçildiğinde noktaların otomatik olarak yanıp sönmesini sağlıyor. Bu çalışma, sadece bir saat değil, aynı zamanda hesaplama işlemini hareket ettiren hava ile gerçekleştiren gelişmiş bir yumuşak robot örneği. Daha hafif, daha basit ve daha entegre makinelerin öncüsü olan bu proje, mantık yürütmek için her zaman silikon çiplerine ihtiyaç olmadığını, bazen esnek silikon ve bir hava akışının yeterli olabileceğini kanıtlıyor.