Biyohibrit Robotlar Yolda

Robot denince aklımıza gelen ilk görüntü, sentetik bileşenlerden oluşan ama insana benzeyen, düşünebilen ve konuşabilen, çeşitli emirleri yerine getiren ve genel anlamda insanlığın hayatını kolaylaştırmak amacıyla bilgisayarlarla programlanmış çağ ötesi makineler. Tabii ki zihnimizde ilk bu görüntünün oluşmasında biraz Asimov ve Capek gibi öncü bilimkurgu yazarlarının hayal gücünün de etkisi var. Fikrin ortaya atılışından bu yana yaklaşık yüz yıl geçmiş olmasına rağmen (Rossum’un Akıllı Robotları, Karel Capek, 1920), aslında popüler kültürün gözündeki imgelerde çok büyük bir değişiklik olmadığı söylenebilir. Seri endüstriyel üretimde “robotlar” zaten uzun zamandır kullanılıyor. Fakat teknolojinin son 25 yılda ciddi hız kazanmasıyla, özellikle genetik ve yapay zekâ alanlarındaki robotik çalışmalarda bilimkurgu hayranlarını da tatmin edecek gelişmeler görmeye başladık. Biyoteknoloji ile robotik mekaniğini bir araya getiren “biyohibrit robotik” de bu gelişmelerden biri.

Biyohibrit robotik, genel hatlarıyla, çeşitli görevleri yerine getirebilecek kapasitede robotlar üretmek amacıyla biyolojik dokular ile sentetik bileşenlerin bir araya getirildiği, nispeten yeni ve heyecanlı bir disiplinlerarası teknoloji alanı. Canlı dokular, hücreler, hatta bütün organizmaların (bakteriler gibi) sentetik/mekanik bileşenlerle bütünleştirilmesiyle üretilen bu yeni hibrit makineler çevrelerini algılayabiliyor, hareket edebiliyor ve sistemde kullanılan canlı dokuların özelliklerine göre çeşitli görevleri yerine getirebiliyor. En önemli avantajları, biyolojik canlıların ya da mekanik robotların tek başlarına karşılaştıkları kısıtlamaları aşmaları. MIT Mekanik Mühendislik Bölümü’nden Ritu Raman’a göre, “Biyohibrit robotlar algılama, işleme, hareket etme gibi fonksiyonları yerine getirmek amacıyla biyolojik malzemeler kullanarak üretilmiş makineler” olarak tanımlanıyor. Bu makinelere örnek olarak denizlerde veri toplamak amacıyla modifiye edilmiş canlı denizanaları, tarımsal amaçlı toprak sağlığı takibi için mantar dokuları kullanılan robotlar, tıpta ise bedenin çeşitli faaliyetlerini izleyebilmek ve hatta tedavi edebilmek için geliştirilen bakteri temelli robotlar sayılabilir.

Biyohibrit Robotların Biyolojik Bileşenleri

Nano ölçekte enzimlerden başlayarak, mikro ölçekte kas hücreleri, nöronlar, hatta bakteri, mantar ve alg gibi canlılar bir bütün olarak biyohibrit robotlarda kullanılabiliyor. Bu canlı hücreler veya dokuların hareket etme ve çevrede olup bitenleri algılama becerileri avantaja dönüştürülüyor. Işığa, sıcaklığa ve çeşitli kimyasal etkenlere tepki veren mikroorganizmaların istenen yere hareket etmesini sağlamak mümkün. Daha büyük ölçekte ise kalp kası hücrelerinin (kardiyomiyoset) kasılıp gevşemesini (actuation) sağlayarak, biyolojik bileşenlerin taşıdığı mekanik bileşenleri hareket ettirmek de olası. Kaldı ki, son yıllarda bu alanda yaşanan gelişmelerin çoğunda kalp kası hücreleri kullanılıyor. Bunların yanı sıra, ortamdaki sıcaklık, pH veya belirli bir kimyasal maddenin belirli bir eşiği aşması gibi çeşitli çevresel koşullarda yaşanan değişiklikler de mantar veya bakteri gibi mikroorganizmaların belirli elektrik sinyalleri üretmesini sağlayabiliyor -ki bu da büyük ölçekte çevresel sorunların teşhis edilmesinde kullanılabilir bir özellik. Ayrıca, biyolojik bileşenler doğada (ve insan vücudunda) kendiliğinden çözünebildiği için, geride herhangi bir kirlilik bırakmamaları da birçok durumda tercih nedeni olacak gibi görünüyor. Bunların yanı sıra, biyolojik bileşenlerin enerji ihtiyacı da mekanik öğelere kıyasla epey düşük. Canlı hücreler, kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürmekte mekanik robotlara kıyasla çok daha verimli. Dahası, canlı organizmaların içinde bulunduğu ortamdaki besin maddeleriyle hayatta kalması, dışarıdan enerji sağlama ihtiyacı olmadan görevini yerine getirmesi, hatta büyümesi veya çoğalması da söz konusu.

Biyohibrit Robotların Sentetik Bileşenleri

Sentetik bileşenleri de genellikle alışık olduğumuz robot görüntüsünü ve hareket, algılama, kontrol gibi işlevleri sağlayan metal, plastik, elektronik devrelerle son yıllarda malzeme biliminin de gelişmesiyle elde edilen diğer birçok nano ve yarı iletken malzeme oluşturuyor. Kas hücreleriyle hareket eden biyohibrit robotların iskelet yapısını oluşturmakta kullanılan viskoelastik malzemeler ise son yıllarda yerini “lineer elastik” şeklinde tanımlanan, daha kullanışlı ve uyum sağlanabilir yeni malzemelere bırakıyor. Böylece bu yeni robotların formlarını tasarlarken yaşanan engeller de aşılabiliyor.

Mikrobotlar

Boyları 1 mikrometreyi aşmayan bakteri, mantar, alg gibi tek hücreli canlıların mikro ya da nano ölçekli sentetik bileşenlerle donatıldığı bu biyohibrit robotlar, tıpta ve çevre uygulamalarında taşıyıcı veya algılayıcı olarak kullanılabiliyor. Sıcaklık ve pH gibi çeşitli çevresel etkenlere karşı dirençli olan mikroplar tek başlarına çok küçük oldukları için çok sayıda kullanılmaları gerekiyor ve bir tür sürü gibi hareket etmeleri sağlanıyor. Bu anlamda mikrobotlar daha avantajlı.

Mikrobotların kanser tedavilerinde ilaçların doğru noktaya ulaştırılmasından, çevre felaketlerinde ortaya çıkan kirliliğin azaltılmasına kadar birçok uygulamada ciddi faydalar sağlayabileceği düşünülüyor. Bu potansiyel yaklaşık 15 yıldır inceleniyor ve şimdiye kadar birçok başarılı deneme yapılmış. Işığa duyarlı C. reinhardtii adlı alg hücresinin yüzeyine tutturulan bir “kargonun” hücrenin belirli dalga boylarında ışığa maruz bırakılmasıyla iletimi sağlanmış. Manyetizmaya duyarlı M. gryphiswaldense adlı bakteri de yine harici bir manyetik alana maruz bırakılarak istenen yere doğru hareket ettirilebilmiş.

Nano ve mikro biyohibrit robotların özellikle klinik tıpta kullanım potansiyeli heyecan yaratıyor. Doğru tedavinin doğru noktaya doğru dozda ulaşmasını sağlamak mümkün ve bu yöntem, kanser gibi hastalıkların tedavisinde kullanılmaya başlandı bile. Doğurganlık sorunlarını aşmak amacıyla spermlerin biyohibrit robotlar aracılığıyla “güçlendirilmesi” için de çalışmalar yapılıyor.

Dokubotlar

Biyolojik robotlar dediğimizde aklımıza gelen imgelere biraz daha yaklaşan dokubotlar, laboratuvarda üretilen canlı dokuların robotik yapılarla bütünleştirilmesiyle işlev kazanıyor. Bu alanda özellikle kullanılan dokularsa güçlü, sağlam ve kolay yorulmayan bir yapıya sahip olan kalp kası dokuları (evet, kalp kası dokularıyla çalışan robotlar da yorulabiliyor!). Bu kas hücreleri genelde farelerden, bazen böceklerden, bazen de pluripotent insan kök hücrelerinden çoğaltılarak elde ediliyor.

Kalp kasları, elektrik akımlarıyla uyarılabiliyor ve kendi kendilerine kasılabiliyor. Dolayısıyla birçok küçük ve yumuşak robot uygulamalarında sık sık yer buluyorlar. Dokular, bir yüzey geometrisi üzerinde istenen örüntü ve formlarda çoğaltılabiliyor. Kasılma hareketi sayesinde yüzebilen, sürünebilen, tutabilen ve tutunabilen robotlar yapılabildiği gibi, sıvı pompalama amaçlı da kullanılabiliyorlar. Esnek elektronik bileşenlerse bu robotlara “kablosuz” olarak güç vermenin yolunu açıyor.

Bu robotlar, kalp kaslarının nasıl çalıştığını daha iyi anlamamızı da sağlıyor. Araştırmacılar, kalp dokularını oluşturan hücreler arasındaki elektrik sinyallerinin düzeni ve zamanlaması hakkında daha fazla bilgi sahibi oldukça, istenen hareketi sağlayacak biyohibrit robotların geliştirilmesi de kolaylaşıyor. Örneğin, kas hücrelerine nasıl bir form verilmesi gerektiğini denerken, vatoz balığından ilham alan ve kendi kendine hareket edebilen bir “yumuşak” robot yapılmış. Harvard Üniversitesi Biyomühendislik ve Uygulamalı Bilimler Bölümü’nde yürütülen deneyde “bir tutam fare, bir pinçik silikon ve aldığı kadar altın” kullanıldığı, esprili bir dille belirtiliyor. Vatoz benzeri yapıyı oluştururken şeffaf bir polimer kullanılmış ve hareketi sağlayan “kanat” kısımlarına da genetik olarak mavi ışığa tepki verecek biçimde kodlanmış fare kalp kası dokuları kıvrımlı bir formda yerleştirilmiş. Kasılma hareketi sonrasında robotun eski formuna dönmesi ve bir sonraki kasılmaya hazır hale gelmesi için de altın yapıda bir iskelet oluşturulmuş. Boyu 16 mm, ağırlığı da 10 gr olan bu biyohibrit robot, kas hücrelerinin beslenebilmesi için şekerle takviye edilmiş tuzlu suya yerleştirildikten sonra mavi ışık darbelerine maruz bırakılmış ve her kasılmada ileriye doğru hareket edebildiği görülmüş. Üstelik, ışığı farklı yönlerden verince o yöne doğru hareket ettiğinden, önündeki engellerin etrafından dönebilme becerisi de var. Araştırmayı yöneten Profesör Kit Parker’ın esas hedefi, yapay kas kasları ile insan kalbi üreterek kalp hastalıklarından muzdarip çocukların hayatını kurtarmak.

Bir diğer deneyde, Aplysia californica adlı bir denizhıyarının ağız çevresinden alınan kas dokularının üç boyutlu yazıcıdan çıkarılmış polimer bir robota sabitlenmesiyle çalışan küçük bir biyohibrit robot yapılmış. Kaslar kasılıp kendini bıraktıkça robot ilerliyor. Tabii ki şimdilik çok yavaş ilerliyor, dakikada yalnızca 0,04 cm hızla. Kas dokuları yerine sinir hücresi grupları (gangliyonlar) kullanmanın mümkün olduğunu belirten araştırmacılar, böylece çok daha karmaşık hareketlerin ve kendi kendine öğrenme becerisinin de ihtimal dahilinde olduğunu belirtiyorlar.

Son yıllarda bu konuyla ilgili en çok paylaşılan haberlerden biri ise, yine kalp kası hücreleriyle geliştirilen ve kendi kendine yüzebilen bir biyohibrit balık robot. Balık formu verilmiş sentetik bir iskelet üzerine yerleştirilen kas dokusu, kasılma ve gevşeme sırasında suda yüzen bir balığın hareketlerini taklit ediyor. Üstelik bir aylık çalışmalar sonucunda robotun kasılma gücü ve koordinasyonu, dolayısıyla da yüzme hızı artırıldı ve robot, bir zebra balığı ile aynı verimde ve hızda yüzmeye başladı. Vatoz benzeri robotu geliştiren bilim insanlarıyla aynı motivasyona sahip Harvard Üniversitesi araştırmacıları da bir gün kalp sorunları yaşayan insanlar için yapay kalp üretebilmek istiyor.

Biyohibrit robotlarda kullanılan biyolojik bileşenlerin bazıları, böceklerden geliyor. Böceklerde sırt borusu (dorsal vessel) olarak bilinen yapının kasılma kabiliyeti, onu kalp kaslarına rakip olabilecek kadar başarılı bir aday yapmış. Pul kanatlılardan (Lepidoptera) Ctenoplusia agnata’nın larvasından alınan sırt borusunun kasılma gücünü tespit etmek amacıyla sentetik bir yapıya oturtulması sayesinde, 90 gün boyunca herhangi bir dış müdahale veya besleme olmadan kendi kendine çalışabilen bir biyohibrit robot denenmiş. Ayrıca, toprak solucanı kaslarının sıvı pompalamakta kullanılabileceğine dair ilginç denemeler de yapılıyor. Yine pul kanatlılardan bir tütün zararlısı olan boynuz kurdunun (Manduca sexta larvası) embriyonik kas hücreleriyle geliştirilen bir biyohibrit makinenin kendi kendini onarabildiği, içinde bulunduğu ortama yeni bir şey eklemeden aylarca hayatta kalabildiği, farklı sıcaklık ve pH aralıklarına karşı dayanıklı olduğu ve 2 kPa basınç uygulayabilecek güçte olduğu belirlenmiş. Bu özelliklerin iskelet kasıyla oluşturulan biyohibrit robotlardan aşağı kalmadığı söyleniyor.

Biyohibrit robotların biyolojik bileşenini oluşturan bir diğer malzeme ise iskelet kası hücreleri. İskelet kası kalp kası kadar güçlü olmasa da, çoğaltıldığında kendine has kolaylıklara sahip. Ayrıca, kalp kaslarının kasılması kendiliğinden gerçekleşirken, iskelet kaslarını elektrik uyarılarıyla kontrol etmek mümkün. Kalp kasıyla çalışan biyohibritler düz bir çizgi üzerinde hareket etme kabiliyetine sahip olsalar da dönüşlerde, özellikle de iki bacaklı (insan gibi) hayvanların hareketini taklit etmekte çok başarılı değiller. Yeni bir araştırmada iskelet kası dokuları iki bacaklı bir yapıya benzeyen sentetik bir iskelet üzerinde çoğaltılarak, robotun ileri gitmesi, durması ve sağa sola dönerek hareket etmesi başarılmış.

Sayborglar

Evet, gerçekten sayborglar. Bir sayborg (veya cyborg), teknolojik öğelerle iyileştirilmiş, güçlendirilmiş, yeni beceriler kazanmış bir biyolojik canlı olarak tanımlanabilir (Jean-Claude Van Damme gibi!). Ve biyohibrit robot alanında denenmeye başladıkları da söylenebilir. California Teknoloji Enstitüsü (Caltech) araştırmacıları, canlı denizanaları ile elektronik devreleri birleştirerek bunları veri toplama makinelerine dönüştürdü. Araştırmacılar, önce denizanası gibi hareket edebilen robotlar geliştirmeye odaklanmış, fakat hiçbir zaman gerçek denizanaları kadar verimli yüzen robotlar geliştiremeyeceklerini anlayınca, denizanalarını modifiye etme fikrine yönelmiş. Bilim insanları, önceki çalışmalarda denizanalarına takılan bir kalp pili geliştirmiş ve böylece daha hızlı yüzmelerini sağlamış. Daha sonra ise vücutlarına bir şapka gibi oturan, böylece sürtünmeyi azaltarak performansı artıran, aynı zamanda da çeşitli algılayıcılar taşıyabilen bir başlık geliştirmişler. Denemelerde, bu şekilde “geliştirilmiş”denizanalarının 4,5 kat daha hızlı yüzebildiği belirlenmiş. Maliyet de denizanası başına yalnızca 20 dolar.

Araştırmaların temel amacı, insan yapımı makineleri erişmesi mümkün olmayan, okyanusun derinlikleri gibi yerlere kendi başına gidebilen ve sürekli veri toplayan bu sayborgların sayısını artırmak. Böylece denizlerin sağlığı, iklim araştırmaları ve diğer birçok çevresel etkeni çok sayıda algılayıcıyla takip etmek mümkün olabilir. Ayrıca, araştırmacıların bilim etiği uzmanlarıyla birlikte çalıştığını da belirtmeden geçmeyelim; denizanalarının bildiğimiz anlamda bir beyni olmaması ve acı hissetmemeleri, etik sorunların aşılmasını sağlamış.

Geçtiğimiz yıllarda Japonya’da yürütülen bir çalışmada ise, hamam böceklerinin sırtına yerleştirilen mini enerji hücreleri ve elektronik devreler sayesinde bu itici böcek dostlarımızın hareketlerini bir nebze de olsa kontrol etmenin mümkün olduğu görüldü. İnsan saçının 25’te 1’i kalınlığında bir solar enerji zarı geliştiren bilim insanları, bunu hamam böceklerinin karnına yerleştirmeyi başardılar. Cihaz, böceğin algılayıcılarına çeşitli sinyaller göndererek yönlendirmeyi hedefliyor. Bu araştırmanın temel amacı, bilim insanlarına göre, deprem gibi bir doğal afet sonucunda daha büyük canlıların giremeyeceği boşluklardan geçerek, içeride mahsur kalmış insanlara ulaşmak ve yerlerini tespit etmek. Binlerce sayborg hamam böceğini bölgeye salarak, çok kısa süre içinde çok fazla veri toplamanın mümkün olabileceği iddia ediliyor. Bu arada, internet üzerinden satılan elektronik paketler sayesinde herhangi birimiz bir hamam böceğini basitçe kontrol edebileceğimiz bir cihaza da sahip olabiliriz! Tabii bunu gerçekten isterseniz.

Birkaç yıl önce ise Howard Hughes Tıp Enstitüsü ile Draper adlı bir firmanın ortak çalışması, bazı nöronları ışığa duyarlı iyon kanallarına sahip olacak biçimde genetiği değiştirilmiş yusufçukları, ışık darbeleri ile kontrol etmeyi (optogenetik) başardı. Üzerlerine yerleştirilen çok hafif elektronik devreler, navigasyon gibi sistemleri de kapsayacak biçimde bu kanatlı dostlarımızın birer dron gibi kullanılmasını sağlıyor.

Potansiyel Zorluklar ve Endişeler

Cerrahi, doku mühendisliği, ilaç tedavileri gibi potansiyel alanların yanında ekosistemleri izlemek ve kirleticileri tespit etmek için de kullanılabilecek biyohibrit robotlar fikren heyecan uyandırsa da, elbette her şey toz pembe değil.

Öncelikle işin zorluklarından biraz bahsedelim. Sentetik mekanik parçaları canlı biyolojik bileşenlerle bir araya getirmek başlı başına zor ve karmaşık bir süreç. Sıcaklık, nem ve asitlik oranı, enerji gereksinimi ve sistemin geri kalanıyla uyum gibi konular zaten her malzeme için farklıyken, işin içine bir de canlı bileşenlerin girmesi durumu daha da zorlaştırıyor. Bu nedenle, öncelikle birbiriyle uyum gösterebilecek canlı ve sentetik bileşenleri bulmak gerekiyor. Sonra da her iki bileşeni de mutlu edebilecek koşullar bileşkesini oluşturabilmek.

Canlı olmanın bedeli, hücrelerin bir süre sonra bozulma ya da ölme eğilimine sahip olması. Bu nedenle de canlı bileşenleri robotik sistemlerde devamlı kılmak çoğunlukla zor bir görev. Biyohibrit robotların canlı kısımlarının böyle bir dezavantajı olsa da, doğada kalıntı bırakmamaları önemli bir avantaj. Peki, ya sentetik bileşenlerin kalıntıları?

İşte bu noktada da “endişeler” kısmına giriş yapmış olalım. Örneğin, deniz kirliliğiyle mücadele için bir biyohibrit robot tasarlandı ve belirli bir miktarda denizlere bırakıldı. Bir süre sonra da melez robotlarımız ömürlerinin sonuna geldiler. Sentetik parçaların da biyobozunur özellikte üretildiğini varsaysak bile, yine de bu maddeler okyanusa karışacak. Bazı sucul türlerin onları yutması sonucu da besin zincirlerine girecekler. Ya sonra? Acaba uzun vadede bazı sucul türlerde istenmeyen etkiler görülecek mi? Veya fazladan bir mikroplastik sorunuyla mı karşı karşıya kalacağız?

Bu yeni makinelerin doğa koruma ve tarım çalışmalarında kullanımı, ekosistemdeki diğer mevcut canlıları nasıl etkileyecek? Biyohibrit robotların üretimi için rezervuar olarak kullanılacak canlıların akıbeti ne olacak? Biyohibrit robot üretimine canlı bileşen sağlamak amacıyla bazı türlerin peşine düşüldüğünde, bu türlerin ve popülasyonlarının sağlığı, refahı, hatta soyları tehlikeye girebilir mi? Doğal popülasyonların dinamiklerinde veya ekosistem dengesinde nasıl etkileri olacak bu çalışmaların?

İngiltere’deki Southampton Üniversitesi’nden araştırmacıların, ABD ve İspanya’daki üniversitelerden multidisipliner bir ekiple birlikte yayımladığı bir makaleye göre, konuyla ilgili 1.500’ün üzerinde yayın yapılmış olmasına karşın, bunlardan sadece beşinde etik konular derinlemesine ele alınmış. Makalede, biyohibrit robotların başlıca üç alanda benzersiz etik sorunlar ortaya çıkarabileceği vurgulanıyor: etkileşim, bütünleştirilebilirlik ve ahlaki durum. Etkileşimden kasıt, bu robotların insanlarla ve çevreyle nasıl etkileşime girebileceği. Bütünleştirilebilirlikten kasıt ise biyohibrit robotların insanlarla nasıl bütünleşebileceği. Özetle, biyorobotik organlar ya da uzuvlar konusu.

Şimdi bir yapay uzuv senaryosuna bakalım. Gerçek bir kol gibi hissedebilecek ve kullanılabilecek bir biyohibrit robotik kol üretmek için canlı hayvanlardan kas hücreleri alınması gerekecek. Çünkü laboratuvarda yetiştirilen dokular, gerçek kaslar kadar güçlü ve sağlam değiller. Dolayısıyla, böyle bir kol son derece pahalıya patlayacak ve yalnızca dünyanın en zengin insanlarının erişimine açık olacak. Bir diğer soru da şu: İnsanlar bu teknolojiyi, insani becerilerini artırmak amacıyla normal kollardan daha güçlü veya daha esnek özel yapım uzuvlar ürettirmek için kullanabilir mi? Öyleyse, bu teknoloji ne kadar adil kabul edilecek? Tabii ki bir de “Herhangi bir biyohibrit robot, gün gelecek de kendi bilincini geliştirebilecek mi?” sorusu var.

Kısacası, biyohibrit robotların sorumlu ve etik bir şekilde geliştirilmesine rehberlik edecek düzenlemeler mutlaka yapılmalı. Otonom araçlar, yapay zekâ, embriyonik kök hücreler ya da CRISPR gibi gen düzenleme teknolojileri nasıl etik tartışmalara konuysa, biyohibrit robotlar üzerinde de mutlaka konuşulmalı. Üstelik, canlı ve sentetik bileşenleri daha önce görülmemiş şekillerde bir araya getiren biyohibrit robotlar, bambaşka yeni etik sorunlar ve potansiyel tehlikeler de ortaya çıkarabilir.

Fakat bu konu henüz, saydığımız diğer teknolojilere kıyasla ana akım medya, kamuoyu ve karar vericiler tarafından nispeten göz ardı ediliyor. Mevzu sadece etik açıdan değil, sosyal ve yasal kaygılar açısından da ele alınmalı. Örneğin, biyorobotlar ne kadar canlı sayılacaklar ve onları ne kadar korumalıyız? Nasıl bir statüleri ve ne gibi hakları olması gerekecek? Biyorobotik kol örneğinde olduğu gibi eşitsizliklere yol açacaklar mı? İnsan yeteneklerinin artırılması için gerçekten ihtiyaç var mı, yoksa bu sadece bizim yarattığımız bir ihtiyacı mı karşılayacak? Galiba önce bu soruların da yanıtlarını bulmak gerekiyor. Fakat teknolojinin kendisi son derece heyecan verici, potansiyeli de muazzam.