AquaJelly

Elektrikli kumanda üniteli yapay denizanası

Bağımsız şekilde kontrol edilen bir denizanası

2

bir lazerle-sinterlenmiş su geçirmez gövdeden oluşur. Bir tam şarj işlemi yaklaşık 3 saat sürer.

Elektrik motoru, iki krank yoluyla su geçirmez gövdenin üst ve alt tarafl arına takılan tahrik plakalarına güç verir; kranklar 60 derece açıyla yapılandırılmışlardır. Tahrik plakalarına, tentaküllere dalga hareketi yaptıran sekiz adet rombik mafsal bağlanmıştır. Tentakül-ler, balık kanadının fonksiyonel anatomisinden türetilen bir yapı olan FinRay Effect® temelli yapılar olarak tasarlanmıştır. Gerçek yapı, kirişlerle bağlanan iki adet alternatif hareketli gerilim ve basınç kanadından oluşur Eğer bir kanada gerilim uygulanırsa, geo-metrik yapı otomatik olarak uygulanan kuvvet yönünde bükülür. Sekiz adet tentakül‘ün rombik mafsallar yoluyla geciktirilmiş akti-vasyonu, itici güç üreten bir normal dalga hareketine neden olur. Tentaküller birlikte, kendi biyolojik modellerininkine benzeyen ileri yönlü bir peristaltik hareket üretir.

AquaJelly‘nin üç boyutlu uzaydaki hareket kontrolü, ağırlık dep-lasmanı yoluyla gerçekleştirilir. Bu amaç için, merkezi su geçirmez gövdeye entegre edilen iki adet aktüatör, dört uzamsal yönde hare-ket ettirilebilen dört kollu bir sarkacı çalıştıran bir taşıyıcı plakayı kontrol eder. Sarkaç belirli bir yönde hareket ettiğinde, AquaJel-ly‘nin kütle merkezi de buna uygun olarak yer değiştirir, deniza-nası daha sonra sarkacın yer değiştirme yönünde hareket eder. Bu peristaltik hareket aracılığıyla, AquaJelly herhangi bir uzamsal boyutta hareket edebilir.

Denizanaları, yaklaşık yüzde 99‘u sudan oluşan büyüleyici yara-tıklardır. Milyonlarca yıl boyunca tuzlu ve tatlı suda en değişken ortamlara verimli şekilde uyum sağlamışlardır. Yapay bir denizana-sı geliştirmeye çalışmak sadece bu büyüleyici deniz yaratıklarının içyüzünü daha iyi anlama ve onlardan öğrenme girişimi olarak görülebilir.

AquaJelly, elektrikli tahrik mekanizması olan yapay ve otonom bir denizanası olmasının yanı sıra toplanma davranışını taklit eden bir yapısı vardır. Yarı şeffaf bir yarım küre, su geçirmeyen bir merkezi gövde ve itici güç için sekiz adet tentakülden oluşur. AquaJelly‘nin yarı saydam yarımküre kubbesi; entegre basınç, ışık ve radyo sen-sörlerine sahip bir dairesel kontrol paneli barındırır. Tahrik sistemi-nin yönü bir işlemci tarafından sürekli olarak izlenir.

Kontrol paneli sensörlerle birlikte birkaç AquaJelly‘nin haberleşme-sine izin veren 8 beyaz ve 8 mavi LED içerir. AquaJelly, dış tarafında iletken metal boyayla kaplanmış iki adet eşmerkezli gümüş halkaya sahiptir; bu halkalara, denizanasına enerji sağlayan bir şarj kontrol ünitesi bağlanmıştır. AquaJelly su yüzeyi üzerinde bulunan bir şarj istasyonuna yaklaştığında, istasyona doğru çekilir ve enerji veri-lir. Şarj istasyonu, şarj için enerji transferi amaçlı entegre temas noktalarına sahip bir Festo ESS vakum jeneratöründen ibarettir. AquaJelly‘ler, her bir denizanasına yeterli enerji sağlandığından emin olmak için şarj istasyonuyla haberleşirler. AquaJelly‘nin ana bileşeni; bir merkezi elektrik motoru, iki lityum-iyonlu polimer akü-mülatör bataryası, şarj kontrol ünitesi ve çalkantı sacı barındıran

Rombik eklem mekanizmalı sekiz Fin Ray® tentakülü

3

Denizanasının sensör sistemi, farklı araçlar kullanan üç bileşen içe-rir. Bir basınç sensörü, AquaJelly‘nin havuzdaki derinliğinin birkaç milimetreye kadar belirlenmesini mümkün kılar. Böylece AquaJelly kendi konumunu tam olarak bilebilir ve kendisini belirli bir basınç bölgesine konumlandırabilir. Aynı zamanda, yeniden şarj olabilmek için yüzeye çıkması gerektiğinden yüzeye doğru stratejik bir şekilde yüzebilmek için basınç sensörünü kullanır. AquaJelly, su yüzeyinde haberleşmek için, şarj istasyonuyla bilgi değiş-tokuşu yapmasını ve istasyonun bulunduğu yüzeydeki diğer AquaJelly‘lere sinyal gönderemesini olanaklı kılan enerji-verimli ve kısa menzilli bir haberleşme sistemi olan ZigBee® radyo sistemini kullanır. Radyo dalgaları fi ziksel olarak belirlenen minimum derinliğe nüfuz eder ve AquaJelly tanımlanan bir aralıkta hangi şarj istasyonuna yaklaşaca-ğına karar verir.

Bununla birlikte, su altında ana haberleşme aracı ışıktır.AquaJelly, kubbe kısmının iç tarafındaki bir halka üzerinde yer alan on bir adet infrared LED‘e sahiptir. AquaJelly bu diyotların 20° ara-lık açısı temelinde ve darbeli infrared sinyallerini kullanarak, yakla-şık 80 cm‘lik bir mesafeye kadar kendisini çevreleyen küresel uzay dahilinde haberleşme yapabilir. Böylece AquaJelly, örneğin, yak-laşan başka bir denizanasından bir konum sinyali aldığında zama-nında kaçma hareketi yapabilir. Kendi çevresini izleyen sensörlere ilave olarak, AquaJelly aynı zamanda enerji durumunu izleyen bir iç sensör sistemine ve tahrik sisteminin yönünü kaydetmesini müm-kün kılan bir manyetik anahtara sahiptir.

Her bir denizanası, - örneğin, şarj koşuluna, tahrik sisteminin yönü-ne veya başka bir AquaJelly‘nin yaklaşmasına bağlı oluşabilecek çevresel koşullara göre nasıl hareket edeceğine bağımsız ve oto-nom olarak karar verir. AquaJelly kümesinin toplam yüzme davranı-şı önceden belirlenmiş bir kontrol olmaksızın ortaya çıkmakla yani beklenmedik olmakla birlikte, her bir AquaJelly‘lerin basit davranış kurallarından bir tanesinin o an için uygun bir tanesinin seçilmesi sonucu kolektif olarak ortaya çıkar ve canlı denizanası sayısını maksimize edecek

AquaJelly, içerisinde sınırlı sayıda şarj istasyonu bulunan ve mesafe olarak sınırlı bir senaryo dahilinde yer alır. Dolayısıyla, çeşitli AquaJelly‘ler hayatta kalmak için sürü içerisinde yaşayan denizanası sayısını maksimize etmek amacıyla bu istasyonların ideal, eşit dağılımlı kullanımı için çaba göstermelidir. Bu nedenle, su havuzundaki sürünün varlığını güvenceye almak için, mekanın maksimum kullanımını sağlamak, yani diğer denizanalarıyla çar-pışmaktan kaçınmak ve şarj istasyonlarını koordineli bir şekilde kullanmak çok önemlidir. Aynı zamanda, AquaJelly tüm dış etkilere karşı da tepki gösterebilir.

Akıllı adaptif bir mekanizma ve akıllı otonom elektronik devrelerle donatılmış bir merkezi elektrik tahrik birimi, otonom kontrol edilen sistemlere yönelik yeni uygulamalar için olanaklı olabilir. Eğer birkaç AquaJelly‘ye ortak bir haberleşme yeteneği kazandırılırsa, daha üst gelişme seviyesine sahip bir sistem davranışı gösteren bir sürü olarak hareket edebilirler. Eğer bu prensip genişletilerek otomasyona uygulanırsa, büyük ölçekli sorunları çözmek amacıyla çok sayıda bağımsız veya kısmen bağımsız akıllı sistem -küçük sistemler arasında stratejik işbirliği yapmak suretiyle- birlikte çalı-şabilirler.

İki entegre temas noktası yoluyla enerji transferi İnfrared LED‘lere sahip kontrol paneli

Proje ortakları

Proje öncüsü:Dr. Wilfried Stoll, Denetleme Kurulu Başkanı, Festo AG

Denizanasının mekanik tasarımı ve yapımı:Rainer ve Günther Mugrauer,Clemens Gebert,Effekt-Technik GmbH, Schlaitdorf, Almanya

Otonomi ve toplanma davranışıParalel ve Dağıtılmış Sistemler Enstitüsü, Stuttgart ÜniversitesiDoğa Bilimleri Prof. Dr. Öğr. Üyesi Paul Levi,Doğa Bilimleri Doktoru Serge Kernbach,Bilgisayar Mühendisi Frank Schreiber,Bilgisayar Mühendisi Kristof Jebens

Şarj istasyonunun mekanik tasarımı ve yapımı, akvaryum prose teknolojisi:Uwe Neuhoff, Display Construction, Festo AG & Co. KGHenry Köllmann, Henry Köllmann Elektrik, Pneumatic, Electronic, Schwäbisch Gmünd, Almanya

Proje Müdürü:Markus Fischer, Kurumsal TasarımFesto AG & Co. KG

Akvaryum yapımı:Walz GmbH, Leinfelden-Echterdingen, Almanya

Grafi k Tasarım:Atelier Frank, Berlin, Almanya

Fotoğrafl ar:Walter Fogel, Angelbachtal, Almanya

Markalar: Fin Ray Effect®, Evologics GmbH şirketinin markasıdır

Teknik veriler

1x mikroişlemci– ışıkla haberleşme – ATmega168, 8 MHz pals, RAM 1 kbyte, fl ash bellek 16 kbyte, 512 EEPROM

1x mikroişlemci – motor kontrolü – ATmega168, 8 MHz pals, RAM 1 kbyte, fl ash bellek 16 kbyte, 512 EEPROM

1x mikroişlemci – radyo haberleşmesi – Meshnetics‘ten ZigBit modülü (ATmega 1281V RAM 8 kbyte, fl ash bellek 128 kbyte, EEPROM 4 kbyte + alıcı-verici AT86RF230RF)

Elektronik sistem 3.6 V‘ta çalışır; mikroişlemciler bir I2C veriyolu vasıtasıyla haberleşir.

1x basınç + sıcaklık sensörü. Üretici: VTI, tip: SCP 1000, Hassasiyet: 1 mm su derinliği

11x infrared iletim LED‘leri, toplam iletim gücü yakl. 2 mW

11x infrared alıcı üniteleri (PCM)

1x verimli, Hot Swap® denetleyicili, entegre otomatik emniyet şalterli otomatik akümülatör bataryası izleme – LiPo koru-yucu – üretici: MAXIM, tip: DS 2764; şarj düzenleme – üretici: Texas Instruments, tip: BQ 24100; Hot Swap® denetleyici – üretici: Linear Technology, tip: LTC4211

1x bireysel olarak tasarlanmış kontrol paneli (yuvarlak)

Ana motor için 1x H-köprü güç kademesi: Üretici: STMicroelectronics, tip: L298, load 3 A‘e kadar yük kapasitesi

Yön kontrolü için, doğrudan mikroişlemciler tarafından kontrol edilen 2x aktüatör

3D eğiklik kontrolü için dijital 3-eksenli hızlanma sensörü - üretici: ST Microelectronics, tip: LIS302DL

Akümülatör bataryaları: Lityum polimer, 4.2 V; kapasite 4,000 mA

Motor: Çan-tipi endüvi motor, 3 V

Transmisyon: Yukarı yönlü episiklik dişli takımı, oran 1:180

Film