MÜHENDİSLİKTE EVRİM MEKANİZMALARINI KULLANMAK

*Tam adı: “Doğal Seçilim Yoluyla Olan Türlerin Kökeni veya Yaşam Mücadelesinde Desteklenen Irkların Korunumu” (On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life)

En kısa tanımıyla evrim, bir popülasyon içindeki gen ve dışsal özellik dağılımlarının nesiller boyunca değişimini ifade eder. Burada vurgulanması gereken asıl nokta, evrimin bireyleri değil popülasyonları değiştirdiğidir. Yani, bir bireyin çocukluktan yetişkinliğe geçişinde yaşadığı fiziksel/bilişsel değişimler evrim değil; gelişimdir. Evrim ise popülasyonlardaki genetik havuzun yapısını ve buna bağlı olarak popülasyondaki ortak fiziksel ve bilişsel özellikleri nesiller boyunca yavaş yavaş değiştirir.

Asıl konuya girmeden önce, burada bazı kavramlara açıklama getirmek gerekiyor. Evrim bir doğa yasasıdır, dolayısıyla yadsınamaz. Evrim nesiller boyunca gerçekleşen değişimleri ifade etmekle birlikte, kendi başına bu değişimlerin ‘neden’ ya da ‘nasıl’ olduğunu açıklayamaz. Tıpkı, kütle çekiminin bir doğa yasası olması fakat bunun neden böyle olduğunu tek başına açıklayamaması gibidir. Dolayısıyla bu yasayı açıklaması beklenen bir teoriye ihtiyaç vardır.

Evrim Teorisi, doğanın evrim yasasını çeşitli yöntemler, veriler ve analizlerle açıklama girişimimizdir. Canlıların evrimine etki eden kuvvetleri, bunların kökenini ve nedenlerini inceler ve sistematik bir açıklama getirmeye çalışır. Evrim Teorisi bir çatı terimdir ve altında Seçilim Teorisi gibi başka birçok teoriyi barındırır. Son olarak Evrimsel Biyoloji ise, bu sahadaki tüm araştırma ve deneyleri içeren bilim dalının adıdır.

Artık bilimler arasındaki keskin sınırlar kalkmaktadır. İşin özellikle ‘akademik’ kısmında yer alan bir kişi için mühendis olmak demek yalnızca mühendislikten değil; aynı zamanda kimyadan, biyolojiden ve hatta toplum bilimlerinden anlamak demektir. Elbette ülkemiz adına, yeni mezun bir mühendisin yalnızca mühendislikten dahi yeterince anlamadığı düşünülürse bahsettiğimiz kadar donanımlı ve yetişmiş mühendis bulmanın zorlukları tahmin edilebilir. Ancak ülkemizde durumun bu oluşu, dünyanın geri kalanındaki bu gerçeği değiştirmeyecektir.

Mühendis Nedir?

Türk Dil Kurumu’na göre mühendis, insanların her türlü ihtiyacını karşılamaya dayalı yol, köprü, bina gibi bayındırlık; tarım, beslenme gibi gıda; fizik, kimya, biyoloji, elektrik, elektronik gibi fen; uçak, otomobil, motor, iş makineleri gibi teknik ve sosyal alanlarda uzmanlaşmış, belli bir eğitim görmüş kimsedir.

Daha kısa ancak düşünüldüğünde daha detaylı olabilecek bir tanıma göre ise; bilim insanlarının keşif ve deneylerle elde ettiği bilimsel bulguları (teorik bilgileri), matematik ve geometri kurallarını uygulayarak tekniker ve teknisyenlerin uygulayabileceği somut bir ürüne dönüştürebilen kişiye denir. Bu anlamda mühendislik bir bilim dalı değil; uygulamalı bir bilimdir.

Mühendislik, temelde ‘sorun çözme’ faaliyetlerini odağına alan bir disiplindir. Sorunlara çözüm üretebilmek önemli bir kriter olsa bile, sorunların en verimli şekilde çözüme kavuşturulması; yani eldeki imkanların optimum (en uygun) şekilde kullanılması mühendislik için hayati önem taşır. Bunun en birincil nedeni ise dünya kaynaklarının sınırlı olmasıdır.

Evrim ile Mühendisliğin Kesiştiği Nokta: Mevcut Kaynakları Optimum Kullanmak

Tam bu nokta, evrim ile mühendisliğin kesişim noktasıdır denilebilir. Çünkü evrim de tıpkı mühendislik gibi ‘eldeki sınırlı kaynakları’ optimum şekilde kullanmaya çalışır. Nesiller boyunca çeşitli evrim mekanizmaları nedeniyle (mutasyon, genetik sürüklenme vb.) fiziksel ve bilişsel olarak değişen popülasyonlar, doğal seçilim, cinsel seçilim vb. sebeplerle uyum başarılarını artırırlar ya da elenirler. Bu mekanizmalar sayesinde çevresine en fazla uyum sağlayan bireyler ve/veya türler hayatta kalarak üremeye devam ederler. Bu ise genetik özelliklerin bir sonraki nesle aktarılması anlamını taşır. Böylece her nesilde, söz konusu ‘iyi genler’ –aslında uyumlu genler–  popülasyon içerisinde artacaktır. Bu değişimse çoğunlukla ortama uyum sağlamak ile sonuçlanacaktır. Bu nedenlerle evrim için, doğayı şekillendiren bir mühendistir diyebiliriz.

Hayatta kalmayı odağına alan evrim mekanizması, insan zihninde en kolay canlandırılabilecek olan açıklama olabilir; ancak doğada bundan fazlası var. Dünyadaki tüm canlılar için –hatta evrendeki her bir ‘şey’ için– enerji en önemli gereksinimdir. Enerji doğada bolca bulunmayan ve elde etmek için belirli bir mücadele zemini gerektiren bir doğa gerçeğidir. Örneğin, goriller insanlardan yaklaşık üç kat daha büyük olmalarına rağmen, bizler onlardan 3 kat daha fazla nöron barındıran gelişmiş beyinlere sahibiz. Bunun nedeni, gorillerin çiğ besinlerden oluşan vegan (otçul) bir diyeti takip etmesidir. Bu diyette hayvansal proteinler olmadığından, büyük cüsseli vücutlarına gereken enerjiyi üretebilmek için saatlerce beslenmek zorunda kalırlar. Bu çeşit bir beslenmede, beyin gelişimi ve diğer faaliyetler için yeterli kalori kazanılmadığından, yani gereken enerji sağlanamadığından, bilişsel faaliyetler yeterince desteklenmez.

Enerji ihtiyacı ve gereken enerjinin nasıl tedarik edileceği gibi konular evrim mekanizması için hayati önem taşır. Bu nedenle canlılar çeşitli yollarla enerji tasarrufuna gidebilirler. Bu tasarrufların bazıları oldukça küçük görünebilir; ancak nesiller boyunca yapılan tasarruf hesaplanırsa büyüklüğü ortaya çıkacaktır. Sonuç olarak evrim, en ufak avantajları dahi kayırmaya meyilli bir doğa yasasıdır.

O halde doğadan neden esinlenmemiz gerektiği ortadadır: Doğa, milyonlarca ve hatta milyarlarca yıllık süreçler içerisinde, deneme-yanılma yaparak optimum sonuca ulaşmış olan mekanizmalara sahiptir. Eğer doğadaki sistemleri iyi bir şekilde taklit ederek geliştirebilirsek sorunlarımıza, elimizdeki imkanlar dahilinde dahiyane çözümler üretebiliriz.

Biyo-Esinlenmiş Mühendislik ve Biyomimikri

Biyo-esinlenmiş mühendislik, moleküler biyoloji, biyokimya, mikrobiyoloji, hücre metabolizması ile temel mühendislik ve malzeme bilimlerindeki hızlı ilerlemeler sonucu gelişen biyolojik tekniklerin mühendislik problemlerinin çözümleri için uygulayan yeni bir bilimsel disiplindir. Tıptan ilaç sanayine, robotikten yazılıma ve ulaşımdan endüstriye kadar pek çok alanda kendisine yer bulmuştur.

Biyomimikri ise kısaca doğanın milyonlarca –hatta milyarlarca– yıllık süreçte geliştirmiş olduğu sürdürülebilir teknik ve stratejilerini mühendislik alanına uygulama girişimidir. Bu tanımdaki ‘sürdürülebilirlik’ kısmı, insanın bugüne dek ürettiği ve beraberinde sürdürülebilirlik problemleri getiren yaklaşımlarını ortadan kaldırmaya yöneliktir. Çünkü evrimsel süreçte deneme-yanılma yöntemiyle geliştirilmiş olan stratejilerin hiçbirisi, canlıların göbekten bağlı oldukları ekosisteme zarar vermez. İnsanların birçoğu dahiyane teknikleri ise aksine doğanın bir parçası olabilmekten uzaktadır. Bunun, mühendislik alanında ilerleme kaydederken neden doğaya bakmamız gerektiği sorusuna iyi bir cevap olduğu kanısındayız.

Biyo-esinlenmiş mühendislik örneklerine gün geçtikçe daha fazla rastlamaktayız. Örneğin, spor otomobillerin, ses hızını aşan uçakların veya yüksek hızlı trenlerin tasarımlarında, bazı kuş türlerinin gaga veya kanat yapıları taklit ediliyor. Aerodinamik yapıları doğadan esinlenilen bu ürünler hem daha hızlı hareket ediyor hem de enerjiden tasarruf sağlıyor.

Biyo-esinlenmeye ilişkin bir başka örnek ise son yıllarda hareket ve iletişim kabiliyetleri yükselen robotlardan geliyor. ABD’li ünlü bir robot üreticisi şirket, her türlü arazi yüzeyinde oldukça hızlı ve dengeli hareket edebilen robotlar geliştiriyor. Robotlar, üzerlerinde yapılan acımasız testlere rağmen, tıpkı doğadaki canlılar gibi dengelerini mükemmel şekilde koruyabiliyor. Öyle ki testler sırasında robotlara tekme atılıyor, koşuları esnasında önlerine yüksek engeller çıkarılıyor ve hatta dengelerini bozabilecek ağırlıklar üzerlerine bırakılıyor.

Yine bir başka geliştirici tarafından üretilen ‘balık’ şeklindeki robotlar, suyun içerisinde otonom şekilde yollarını bulabiliyor ve birbirleriyle iletişime geçerek sürü halinde hareket edebiliyorlar. Bu küçük robotların ileride yardım ve keşif amaçlı kullanılması planlanıyor.

Biyo-Esinlenmiş Robotik

Yukarıdaki son iki paragrafta verilen örnekler, biyomimikri uygulamaları içerisinde bizleri en fazla heyecanlandıran biyo-esinlenmiş robotiğin uygulama alanları içerisine giriyor. Bilindiği üzere robotik alanı, makina, elektrik, elektronik, malzeme, bilgisayar, yazılım, kontrol ve iletişim gibi pek çok disiplini bir arada bulunduruyor. Bu alan, biyolojiden alınan fikir ve stratejilerin robotik alanına uygulanmasıyla ortaya çıkıyor. Bu nedenle multidisipliner (disiplinler arası) bir alan olarak anılıyor.

Biyo-esinlenmiş robotiğin merkezindeki sorunlardan birisi, canlı hareketlerinin taklit edilmesinin güçlüğüdür. Çünkü günümüz teknolojisi ile kaslar kadar sofistike aktüatörler veya karmaşık fakat yumuşak hareketler sağlayan –eklemler gibi– bağlantı noktaları geliştirilemiyor. Bu mühendislik sorununu aşmak içinse ‘eldeki sınırlı kaynakları’ yani mekanik yapıları kullanarak biyolojik hareketi nasıl mimikri* edeceğimizi çözmemiz gerekiyor.

*Mimikri, bir türün avcılarından kurtulması ve/veya çiftleşmesi (hayatta kalmak ve/veya üremek) için diğer bir türe benzemesi ya da her iki türün de birbirine benzemesi olayıdır. Bilinen örneklerinden biri, zehirli ve avcılar tarafından tercih edilmeyen tür olan mercan yılanları ile aynı yaşam alanlarını paylaşan bazı zehirsiz yılanların (California Mountain Kingsnake gibi) mercan yılanlarındaki aposematik renklenmeyi taklit etmeleridir. Bu sayede avcılar tarafından pas geçilirler.

Robotikteki bir diğer sorun ise kontrol ve iletişim mekanizmalarının geliştirilmesi ile alakalı. Prensipte robotik ve biyolojik kontrol sistemleri benzerlikler içeriyor. İkisi de duyusal motor kontrol denilen ve duyulardan (sensörler) gelen sinyallerin beyinde (kontrol merkezi) işlenmesi sonucu organizmayı (robot) harekete geçiren bir mekanizmayı kullanıyor. Bazı robotik ürünlerde kullanılan sürü kontrolü ise iletişim mekanizmalarına iyi bir örnek oluşturuyor.

Bu noktada belirtmeliyiz ki davranış kontrolü adı verilen sistem, robota öğretilmiş davranış kalıplarından oluşmuyor. Elbette belirli hareketlerin ortaya çıkması için bazı temel davranış algoritmaları kullanılıyor ancak etki-tepki prensibiyle çalışan bu sistemlerde mevcut duruma uygun hareketi sağlayabilmek için ‘davranış üretilmesi’ gerekiyor. Metodu kısaca özetlemek gerekirse: Robot sensörleri sayesinde bilgi toplar, toplanan bilgi kontrol merkezinde (beyin) işlenir ve yorumlanır, yorumlanan bilgiler temel alınarak davranış planlanır ve davranış gerçekleştirilir.

Evrimleşen Robotlar!

Tasarım, kısa yoldan üretim demektir. Newton’un ortaya koyduğu hareket mekanizmaları gibi var olan teorik bilgilerimize dayanarak yaptığımız işlerde, tüm detayları ve tüm koşulları bildiğimiz durumlarda ortaya işe yarar ürünler çıkarabiliriz. Ancak daha karmaşık, öngörülemeyen ve çok yönlü durumlar için (Örneğin; uzay araştırmaları) üreteceğimiz araçlarda tasarım fikrinden uzaklaşmamız ve uyum sağlayabilen ürünler ortaya çıkarmamız gerekiyor. Robotik ve evrimsel algoritma tam bu noktada işe yaramaya başlıyor!

Diyelim ki dünya üzerindeki her türlü arazi koşuluna uygun bir robot ürettiniz. Bu robot, belirli yüksekliklerden aşağıya sorunsuz biçimde atlayabiliyor, zor koşullarda dengesini koruyabiliyor ve önüne çıkan engelleri çeşitli araçları yardımıyla aşabiliyor. Peki, bu robotu daha karmaşık bir coğrafyaya, su altında kalmış bir madendeki işçileri kurtarmaya ya da uzay görevlerine gönderirseniz ne olur? Farklı koşullar altında mevcut yazılım hiçbir işe yaramayacağı için adaptif (uyum sağlayabilen) bir donanıma ve yazılıma ihtiyaç duyar. Tıpkı insanların ya da diğer canlıların, zor koşullar altında yaratıcı şekilde davranarak mevcut durumu kurtarması gibi…

Bu noktada, robotun ihtiyacı olan şey mevcut duruma ilişkin hızlıca bir analiz yapmak, soruna yaratıcı bir çözüm bulmak ve elindeki imkanları (donanım, çevresel elemanlar/araçlar vb.) kullanarak problemi aşmaya yönelik davranmak olacaktır. İşte bu otonom sistemlerin ihtiyacı olan en önemli şeydir. Bunu yapabilmenin temelinde ise evrimsel biyolojiden aldığımız dersler yatar!

Şöyle ki; robota yapması gereken en basit görev için dahi rastgele farklılıkları olan yazılımlar yüklenip teste tabi tutmanız gerekiyor. Tüm bu yazılımlar içinden en başarılı olanları seçip geri kalanları elediğinizde ve yazılım kodlarında rastgele değişim ve çaprazlama yöntemlerini uyguladığınızda en başarılı olan kombinasyonları seçmeye devam ediyorsunuz. Bu sayede robot, daha karmaşık görevler verildikçe her görevi başarıyla tamamlamasını sağlayan optimum yazılım kombinasyonuna doğru evrimleşmiş oluyor ve siz, tıpkı doğadaki evrime benzer bir şekilde çevreyle en uyumlu teknolojiyi üretmiş oluyorsunuz. Bunun ileri aşaması ise fiziksel olarak evrimleşebilen robot teknolojilerini (donanım) üretmek. Henüz emekleme aşamasında olan bu teknoloji, ileri yapay zekâ ve kendi kendini kopyalayabilen makinalar ile birleştirilebilirse, düşünebilen, algılayabilen (kısaca öz farkındalığa sahip) ve çoğalabilen robotların ortaya çıkmasına neden olabilir. Hem bu sayede, yalnızca deneme-yanılma yoluyla değil; gerçek manada öğrenerek hareket edebilen robotların ortaya çıkışını da hızlandırabiliriz.

Sonuç olarak, doğanın evrim mekanizmaları karşımıza çıkan problemleri aşmamızda bize en uygun çözümü bulmamızı sağlayan süreçleri içerir. Evrimsel süreçle birlikte ilerleyecek olan teknolojik buluşlar, ekosisteme zarar vermeyen –yani çevreyle uyumlu ve sürdürülebilir– gelişmeleri hayatımıza dahil edebilir ve hem çevreyi hem de kendimizi fiziksel ve mental olarak geliştirmemizi sağlayacak mekanizmaları ortaya çıkarabilir. O halde soruyoruz: İnsanlığı ileriye taşıyabilecek teknolojiler geliştiriliyor ve dünya gün geçtikçe değişiyor. Biz buna ne kadar hazırız?

Bu yazı, büyük oranda, Evrim Ağacı web sitesinde (www.evrimagaci.org) yer alan “Evrimi Destekleyen/Kullanan Bilimler- 9: Mühendislik, Biyomühendislik, Biyomimikri” isimli makaleye dayanılarak hazırlanmıştır.