Sensör teknolojisinde örnek alınan hayvanlar

Farkiı yaşam koşullarına uyum gösterebilmeleri sayesinde kutuplarda ya da çölde, denizlerin dibinde ya da çok yükseklerde yaşayan hayvanlara rastlamak mümkün.

Çünkü bazı hayvanların koku alma, bazılarının görme ve işitme duyuları çok gelişmiş olabiliyor, Hayvanlara avlanmada ve haberleşmede üstünlükler sağlayan duyu organlarına pek çok örnek sayabiliriz. Köpeklerin iyi koku alan burunları, yılanların yüksek dalga boylarını algılayabilen gözleri gibi.

Hayvanların bu özellikleri, gözle görülemeyecek kadar küçük varlıklardan veya kulakla işitilemeyecek seslerden haberdar olmak isteyen bilim insanları tarafından uzun yıllardır inceleniyor, Diğer canlıların arasından daha gelişmiş yetenekleriyle sıyrılan, hemen hemen her gün adın’tduyduğunuz veya belki de ilk defa bu yazıda duyacağınız pek çok hayvan, sensör teknolojisinin gelişmesine ilham kaynağı oluyor.

Bu yazımızda rengârenk kanatlarıyla doğamızı güzelleştiren kelebeklerden hindilere kadar çeşitli canlılardan ilham alan sensörlerle ilgili son çalışmalardan bazılarına ve bu çalışmalara ilham olan hayvanlara yer vermek istedik.

Sensörlerle ilgili çalışmalar yapan bilim insanlarının en çok ilgisini çeken hayvanlardan biri parlak kınkanatlı ailesinden mücevher böceği (Melanophila acumirıata). Kara yangın böceği olarak da bilinen bu böcekler yangınları 80 km. uzaktan bile algılayabiliyor. Orman yangınına ulaşmak için kilometrelerce yol alabilen bu böcekler bu özelliklerini karın bölgelerinde bulunan küçük, kızılötesi sensörlere borçlu. Her biri yaklaşık 15 mikron boyunda olan bu sensörler 50-100 arasında duyu sinirinden oluşuyor ve yangınların yaydığı ısının algılanmasını sağlıyor. Bir diğer ifadeyle birbirine sıkıca bağlanmış şekilde duran bu duyu sinirleri minyatür bir kızılötesi sensör oluşturuyor. Henüz mekanizması tam olarak bilinemese de bu kızılötesi sensörler kızılötesi ışınları mekanik uyartılara çeviren bir alıcı olarak görev yapıyor.

Bu küçük kızılötesi sensörlerden ilham alan bilim insanları bu teknolojiyi kullanarak özellikle orman yangınlarının önüne geçmek için sensör üretmeye çalışıyor. Konuyla ilgili çalışmaların devam ettiği Bonn Üniversitesinde (Almanya) bu böceklerin algılama yeteneklerinin ne kadar hassas olduğu matematik modellemelerle de gösterilmiş durumda.

Doğadan ilham alan orman yangını sensörleri ile ilgili bir diğer çalışmada ise alevleri algılayabilen ve büyük bir yangına dönüşmeden söndürebilen robotlar üretildi. OLE adı verilen 6 bacaklı bu robotlar arazi koşullarına bağlı olarak en fazla 20 km/sa hızla ormanda dolaşabiliyor. OLE alevlerle karşılaştığında haznesinde bulunan su ile alevleri söndürmeye çalışıyor eğer söndürmekte etkisiz kalırsa itfaiyeye haber verebiliyor. Kendisine zarar verebilecek tehlikeli durumlar karşısında tıpkı bir tespih böceği gibi toplanabilen bu robotlar 1300°C sıcaklığa dayanacak şekilde tasarlandığı için yangınlarda genellikle zarar görmüyor.

Sensör teknolojisinde örnek alınan hayvanlardan bir diğeri de hindi. Hindilerin başlarında, kan damarlarının yoğun olduğu bölgede kolajen demetleri bulunuyor. Hindinin heyecanlı veya sinirli olmasına bağlı olarak bu kolojen lifleri arasındaki boşluklar değişebiliyor. Bu sayede ışığın kırılması ve yansıması da değişkenlik gösteriyor. Böylece hindinin baş bölgesinin rengi kırmızı, mavi hatta beyaz görünebiliyor. Bu renk değişiminden ilham alan bilim insanları havadaki zehirli kimyasal maddeleri algılayabilen sensörler geliştirdi.

Kaliforniya Üniversitesinde geliştirilen bu sensörler için bakteriyofaj (bakterileri enfekte eden virüsler, bakteri virüsleri) turnusolleri üretildi. Farklı renklerin sıralanması ile üretilen bu bakteriyofaj turnusolleri gaza maruz kaldığı zaman gazın özelliğine bağlı olarak hızlıca şişer veya büzüşür. Böylece ortamda hangi gazın bulunduğu ile ilgili bilgi verir. Hindinin baş bölgesindeki, lifsi bakteri virüsleri kullanılarak üretilen ve deri gibi davranan bu sensörler ortamda varlığı aranacak kimyasal maddeye göre ayarlanabiliyor.

Nature Communications dergisinin Ocak sayısında yayımlanan çalışmada bu sensörler bir adım ileriye taşınarak akıllı telefonlara entegre edildi. Bu sayede akıllı telefonlar için ortamdaki zehirli gazların ve hatta TNT (trinitrotoluen) gibi patlayıcıların varlığını algılayabilen uygulamalar geliştiriliyor.

Patlayıcı sensörlerine ilham olan tek canlı hindi değil aslında. Hindilere hiç benzemediğini düşündüğümüz kelebekler de TNT patlayıcıların tespiti için geliştirilen sensör çalışmalarına yön verebiliyor.

Peki nasıl? Erkek ipek böceği kelebeğinin antenleri duyu sinirleri ile kaplı olduğu için hayli duyar-lıdır. Bu sayede dişilerin antenlerinden yayılan fe-romon (aynı türün bireyleri arasında haberleşmeyi sağlayan kimyasal madde) kolaylıkla algılanabilir. Kelebek antenlerindeki bu duyarlılığı inceleyen bilim insanları bu ileri duyarlılığı TNT tespitine uyarlamayı hedefliyor.

3U konuyla ilgili araştırmalardan biri Angewandte Chemie dergisinin Nisan sayısında yayımlandı. Bu çalışmada ipek böceği kelebeğinin anteni kadar duyarlı yapılar üretmek için “microcantilever” adı verilen esnek ve küçük alıcılar geliştiriliyor. Bu alıcı algılanmak istenen kimyasal maddeye göre farklı şekillerde kaplanıyor. Belli bir titreşime sahip olan alıcıların üzerlerine kimyasal maddeler yapıştığında titreşimleri değişiyor ve bu değişim ölçülerek ortamda aranan kimyasal maddenin olup olmadığı tespit edilebiliyor. TNT tipi patlayıcıların tespiti için geliştirilen alıcılar patlayıcıların yapısındaki nitro gruplara bağlanabilen titanyum dioksit nanotüplerle dikey olarak kaplanıyor. Bu sayede hem nitro grupların varlığı tespit ediliyor hem de kullanılan nano-tüplerin yapısına bağlı olarak yüzey alanı genişletilmiş oluyor.

Zehirli gaz ve patlayıcı tespitinde kullanılmak amacıyla geliştirilen sensörler arasında memelilerin koku alma sistemini taklit edenler de var. Pek çok kokuyu birbirinden ayırt edebilecek şekilde tasarlanmış bu cihazlar “elektronik burun” olarak adlandırılıyor ve koku alma sistemindeki gibi her koku molekülüyle farklı etkileşiyor. Koku molekülleri bu cihazlara ulaştığında sensör elemanlarının iletkenliğinde, ışımasında veya kütlesinde bir değişim oluyor ve bu değişim elektrik sinyaline dönüşüyor, böylece her koku için ayrı bir sinyal oluşturuluyor. Bu sinyaller istatistik programları yardımıyla çözümlenerek kokular birbirinden ayrılıyor. Elektronik burunların yapısı memeli burnuna benzese de algıladıkları kokular çok çeşitli olabiliyor. Örneğin karbon mo-noksit gibi bize göre kokusuz olan gazları bu burunlarla algılamak mümkün. Elektronik burunların ilk örneklerinde metal oksit ve polimer gibi malzemeler kullanılırken daha duyarlı ve daha hızlı tepki veren elektronik burun sistemleri geliştirme çalışmalarında bu malzemeler yerlerini nano malzemelere bırakmaya başladı.

Nano malzemelerin kullanıldığı elektronik burunlarla ilgili çalışmalardan biri de Bilkent Üniversitesi Ulusal Teknoloji Araştırma Merkezinde (UNAM) yapıldı. 201 l’de Advanced Materials dergisinde yayımlanan çalışmada insan burnundan ilham alan araştırmacılar farklı kokuları ayırt edebilen optoelektronik yani ışıkla etkileşen elektronik burun geliştirdi. Nanoyapılı fiberler kullanılarak geliştirilen bu fotonik burun koku moleküllerinin kızılötesi ışın emilimini ölçecek duyarlılıkta. Bu sayede elde edilen veriler özel programlar yardımıyla sayısallaştırılarak hangi kimyasal maddeye ait olduğu belirlenebiliyor. Bilgisayar simülasyonları sayesinde birçok farklı kokunun ayırt edilmesinin de mümkün olduğunu gösteren sensörler sadece zehirli gazların tespitinde değil, narkotik araştırmalarda ve hatta bazı hastalıkların teşhisi gibi pek çok farklı alanda kullanılmaya aday.

Doğadaki varlıkları taklit etme merakında birleşen nanoteknoloji araştırmaları sayesinde üretilen algılayıcılardan biri de hayvanların bıyıklarına benzer malzemeler. Birçok memeli hayvanın ve bazı böcek türlerinin yüzünde bıyık adı verilen tüyler bulunur. Bıyıklar özellikle gece hareket eden hayvanların örneğin kedilerin ve farelerin çevreyi algılamasını sağlar. Pek çok hayvan hava akımına hayli duyarlı bıyıkları sayesinde karanlık ortamlarda hiçbir yere çarpmadan hareket edebilir.

Hayvanların bıyıkları gibi, algılama yeteneğine sahip malzemelerin üretildiği çeşitli çalışmalar var. Bu çalışmalardan biri yakın zaman önce Kaliforniya Üniversitesinde (Berkeley) yapıldı. Proceedings ofthe National Academy of Sciences dergisinin Ocak sayısında yayımlanan çalışmada üzeri ince gümüş filmlerle kaplı karbon nanotüplerden hayvan bıyığına benzeyen sensörler üretildi. Şimdiye kadar üretilenlerden 10 kat duyarlı olan bu sensörler üretim kolaylığı, hafiflik ve yüksek performans gibi özellikleri sayesinde robot dünyasında ve biyolojik uygulamalarda önemli bir rol üstlenecek gibi görünüyor.

İlginç özellikleri olan bir diğer hayvan sürüngenler sınıfından dikenli şeytan kertenkelesi olarak da bilinen Moloch harridus. Genellikle Avusturalyadaki çöllerde yaşayan bu hayvan yaklaşık %3’lük nem oranına sahip topraklarda bile kolayca su bulabiliyor. Üstelik bulduğu suyu derisindeki kılcal damarlar vasıtasıyla ayaklarından kafasına ve gözlerine kadar iletiyor. Kurak bölgelerde su bulunması ve su çekilmesinde örnek alınabilecek dikenli şeytan kertenkelesi üzerindeki çalışmalar devam ediyor. Hatta yapılan çalışmalar benzer yöntemler kullanılarak kimyasal maddelerin tespitinin de mümkün olabileceğini gösteriyor.

Sensörlerin algılama güçlerinin yanı sıra sensörler tarafından algılanan bilginin nasıl işleneceği sorusu da doğadan ilham alınarak cevaplanıyor. Bu nedenle insanlardaki sinir sistemini ya da farklı kokular tarafından farklı bölümleri uyarılan meyve sineklerinin beyinlerinin çalışma mekanizmasını örnek alan çok çeşitli araştırmalar var.

Güvenliğimizden gündelik hayatımıza kadar pek çok alana giren ve girecek olan bütün bu sensörlerin hayvanlardan ilham alan özelliklerine baktığımızda doğadan öğrendiğimiz ve öğreneceğimiz daha çok şey olduğunu görebiliyoruz.