BİYOMİMETİK:
Gözden Fotoğraf Makinasına: Görmenin Teknolojisi

Amerika'daki Ulusal Sandia Laboratuvarı, 12 Temmuz 2001 tarihinde yayınladığı haber bülteninde, yapılan çalışmalar sonucunda "göz keskinliğine ve netliğine yaklaştıklarını" açıkladı.

Yayınlanan haberde "64 bilgisayarı kullanarak dijital bir görüntü elde edildiği ve bilgisayarların bu görüntüye ulaşmasının ise yalnızca birkaç saniye sürdüğü" belirtildi.1 Bu elbette ki çok önemli bir gelişmedir ancak burada unutulmaması gereken bir nokta vardır:

İnsan gözü retinadaki görüntüyü saniyenin onda biri kadarlık kısa bir sürede oluşturur ve bu görüntü yalnızca 1 milimetrekare genişliğinde bir alanı kaplar. Bu özellikleri düşünüldüğünde insan gözünün son teknolojiye sahip 64 bilgisayardan çok daha hızlı ve kullanışlı bir mekanizma olduğu açıkça görülmektedir.

 

Omurgalı hayvanların gözleri, ışığın "göz bebeği" adı verilen delikten içeri girdiği yuvarlak toplara benzer. Göz bebeğinin arkasında mercekler yer alır. Işık önce bu merceğin daha sonra da göz yuvalarını dolduran sıvının içinden geçer ve retinanın üzerine düşer. Retinanın üzerinde, "koni hücreler" ve "çubuk hücreler" olarak adlandırılan yaklaşık yüz milyon hücre vardır. Çubuklar aydınlığı ve karanlığı ayırt edebilirken, koniler renkleri seçerler. Bu hücreler, üzerlerine düşen ışığın etkisiyle oluşan imajı elektrik sinyallerine çevirip optik sinir ağı aracılığıyla beyne yollar. Gözler ışık yoğunluğunu göz bebeğini çevreleyen iris aracılığıyla ayarlar. İris ise, yapısında bulunan minik kaslar sayesinde büyüyüp küçülebilir. Bu, fotoğraf makinelerindekine benzer bir mekanizmadır. Makinaya giren ışık miktarı, "diafram" adı verilen mekanik bir iris aracılığıyla ayarlanmaktadır. Phil Gates Wild Technology adlı kitabında, fotoğraf makinalarının gözü taklit eden basit bir model olduğunu şöyle açıklar:

Fotoğraf makinaları, omurgalı gözlerinin ilkel ve mekanik bir versiyonudur. Bu makinalar aslında aynen göz gibi, önlerindeki açıklık dışında içine ışık geçirmeyen kutulardır. Görüntüyü retina yerine bir film üzerine yansıtırlar. Gözlerde görüntüye odaklanma merceğin şekli değiştirilerek olur. Fotoğraf makinalarında ise bu işlem merceğin filme olan mesafesi değiştirilerek gerçekleştirilir.2

Netlik Ayarı

Fotoğraf çekilirken yapılacak ilk işlem netlik ayarıdır. Görme işleminde de, etrafımızdaki görüntülerin duyarlı tabaka üzerine net olarak düşmesi için aynı işlemin yapılması gerekir. Fotoğraf makinelerinde bu işlem elle, gelişmiş kameralarda ise otomatik olarak yapılır. Daha özel amaçlarla kullanılan mikroskop ve teleskoplarda da netlik ayarı yapılır. Ancak yapılan bu işlem her durumda vakit kaybına neden olur.

Oysa insan gözü bu ayarı sürekli olarak ve çok kısa bir süre içinde kendi kendine yapar. Üstelik kullanılan yöntem taklit edilemeyecek kadar üstündür. Göz merceği, çevresinde bulunan kaslar sayesinde görüntüyü retina üzerine düşürür. Yapısı son derece esnek olan ve kolay biçim değiştiren bu mercek, gerektiğinde bombeleşerek, gerektiğinde gerilerek ışığın düştüğü noktayı sabit tutar.

Eğer gözde bu ayar kendiliğinden yapılmasaydı, örneğin insan baktığı noktaya bir düğme yardımı ile odaklama yapmak zorunda kalsaydı, görmek için sürekli özel bir çaba harcaması gerekecekti. Görüntü bir netleşip bir bulanıklaşacaktı. Bir nesneye bakıldığında görebilmek zaman alacak, bunun sonucunda tüm hareketlerimiz yavaşlayacaktı.

Ancak Allah gözlerimizi kusursuz olarak yaratmıştır ve dolayısıyla bu sıkıntıların hiçbirini yaşamayız. Hiç kimse, karşısında belli bir uzaklıkta duran nesneyi net olarak görmek istediğinde, aradaki mesafeyi, merceğin odaklama ayarını ve bunlarla ilgili birçok optik hesaplamaları yapmakla uğraşmaz. Nesneyi net görebilmek için yalnızca ona bakmak yeterlidir. Geri kalan tüm işlemler otomatik olarak göz ve beyin tarafından halledilir. Üstelik bütün bu işlemler yalnızca bir isteme süresinde gerçekleşir.

Işık Uyumu

Bir fotoğraf makinesiyle gündüz çekilen fotoğraf net olur. Ancak aynı film ve makineyle gece yıldızlar çekildiğinde fotoğrafta hiçbir şey gözükmez. Oysa göz kapaklarımız saniyenin onda biri gibi kısa bir zamanda açılıp kapanmalarına rağmen geceleri yıldızları çok net bir şekilde görebiliriz. Çünkü gözlerimiz çok çeşitli aydınlanma koşullarına ve değişik ışık şiddetlerine göre kendisini her an otomatik olarak ayarlayabilir. Bunu sağlayan, gözbebeğinin etrafındaki kaslardır. Eğer ortam karanlık olursa bu kaslar açılır, gözbebeği genişler ve göze daha çok ışığın girmesi sağlanır. Eğer ortam aydınlık olursa bu sefer kaslar kapanır, gözbebeği küçülür ve içeri giren ışığın miktarı azaltılır. Bu sayede hem gece hem gündüz görüntü net olur.

Renkli Dünyaya Açılan Pencere

Göz, görüntünün aynı anda hem siyah-beyaz, hem de renkli fotoğrafını çeker. Daha sonra bu fotoğraflar beyinde sentezlenerek normal görüntü halini alır.

Retina tabakasında bulunan çubuk hücrelerinin görevi, bakılan nesnenin biçimini siyah-beyaz olarak ayrıntılı bir şekilde algılamaktır. Koni hücreleri ise nesnenin renklerini tespit ederler. Sonuçta, her iki hücreden alınan sinyallerin değerlendirilmesiyle, dış dünyanın görüntüsü şekillenir ve renkli bir halde beynimizde oluşur.

Gözdeki Üstün Teknoloji

Fotoğraf makinesi göze göre son derece ilkel bir yapıya sahiptir. Hatta gözün görüntü iletme tekniği en gelişmiş kameralardan bile kat kat üstündür. Sonuç olarak da gözün ilettiği görüntü insanoğlu tarafından yapılmış herhangi bir aletin iletebildiği görüntüden çok daha kalitelidir.

Bir TV kamerasının çalışma prensipleri incelenirse sözü edilen gerçek daha iyi anlaşılır. Bu kameranın çalışma ilkesi görüntülerin değil, bir görüntüyü yeniden oluşturacak olan ışıklı nokta dizilerinin iletilmesine dayanır. Bu yüzden kamera karşısındaki nesne, satır denilen belirli sayıda kuşağa bölünür ve de yayın sırasında bir "tarama" işlemine başvurulur. Bir fotosel lamba, böyle bir satırın bütün noktalarını soldan sağa birbiri ardınca tarar. Hepsinin ışık durumunu değerlendirir ve sonunda bunlara dayanarak birtakım sinyaller verir. Bir satırı baştan sona kadar taradıktan sonra, bir sonraki satıra geçer ve tarama işlemi böylece sürüp gider. Bu fotoselin çalışma ritmi, bir görüntünün 625 ya da 819 satırını 1/25 saniyede tarayabilecek şekilde hesaplanmıştır. Böylece bütün bir görüntünün tamamlanması bitince, yeni bir görüntü iletilir. Bu şekilde iletilen bildirilerin sayısı çok fazladır ve sinyaller baş döndürücü bir tempoyla üretilir.

Gözün tüm bu anlattıklarımızdan çok daha üstün bir işleyiş mekanizmasına sahip olduğu dahası hiçbir bakım ve parça değişimine ihtiyaç duymadığı düşünülürse yapısının ne kadar hayranlık verici ve mükemmel olduğu daha net bir şekilde anlaşılır.

Tıp teknolojisi geliştikçe de insan gözünün ne kadar büyük bir mucize olduğu daha iyi anlaşılmaktadır. Göz hakkında elde edilen bilgilerin teknolojiye uyarlanmasıyla da her geçen gün çok daha gelişmiş kameralar, fotoğraf makineleri ve sayısız optik sistem üretilmektedir. Ancak, teknoloji ne kadar ilerlese de yapılan elektronik aletler gözün ilkel birer taklidi olmaktan öteye gidememiştir. Bilgisayar destekli kameralar da dahil olmak üzere hiçbir insan buluşu alet, göze rakip olamaz.3

Peki gözdeki bu kompleks yapı nasıl ortaya çıkmıştır?

Kuşkusuz bu yapının tesadüfler sonucunda ya da uzun zaman içinde kendi kendine oluşması mümkün değildir. Göz tek bir parçası eksik olsa işlevini yerine getiremeyecek bir yapıya sahiptir. Hiçbir tasarım tesadüfen oluşamaz, gözde ise çok açık ve benzersiz bir tasarım vardır. Bu ise bizi bir tasarımcının varlığına götürür. Gözdeki bu tasarımın tek sahibi Allah'tır. Herşeyi en güzel bir biçimde algılamamızı sağlayan bu organın bize verilmiş olması, Allah'a şükretmemiz için çok büyük bir vesiledir. Bu gerçek, Kuran-ı Kerim'in bir ayetinde bize şöyle bildirilir:

De ki: 'Sizi inşa eden (yaratan), size kulak, gözler ve gönüller veren O'dur.' Ne az şükrediyorsunuz? (Mülk Suresi, 23)

Bilim Adamları Gözü Taklit Etmeye Çalışıyorlar

Gözün gerçekleştirdiği işlemlere hayranlık duyan ve gözün üstün tasarımını teknolojik alanda taklit etmek isteyen bilim adamları, son zamanlarda bu konu hakkında birçok çalışma yapmaktadırlar. Bu sayede doğada bulunan canlıları ve kusursuz mekanizmaları da daha yakından inceleme imkanı bulmuşlardır. Biyomimetik alanında yapılan bu çalışmalar teknolojik alandaki gelişmelere büyük hız kazandırmaktadır.

Bilgisayar Devrelerinin Tasarımı, Doğadaki Örneklerinden Taklit Ediliyor

Gözümüzün sinir hücreleri olan "retina hücreleri" gelen ışığı tanıyıp yorumlar. Retina hücreleri daha sonra değerlendirilen bu bilgileri bağlantıda oldukları diğer hücrelere iletir. Gözümüzdeki tüm bu işlemler yeni bilgisayarlara model oluşturmuştur:

Retina hücrelerinin yaptığı iş yalnızca ışığı algılamakla sınırlı değildir. Retina birbirleriyle olağanüstü bir yoğunlukta bağlantı oluşturmuş sinir hücrelerinden oluşur. Işığa ait sinyaller beyne iletilmeden önce sayısız işlemden geçirilir. Örneğin retinayı oluşturan hücreler cisimlerin kenarlarını hesaplar, ışık sinyalinin gücünü artırır, aydınlık ya da karanlığa göre uyum sağlayarak düzeltmeler yapar. Günümüzün güçlü bilgisayarları da benzeri işlemleri yerine getirebilmektedir. Ancak retinadaki sinir ağı bu iş için, bilgisayarlara nispeten çok daha az bir enerji kullanır.4

California Teknoloji Enstitüsü'nden Carver Mead başkanlığında bir araştırma ekibi, retinada kolayca gerçekleştirilen işlemlere imkan tanıyan tasarımın sırrını araştırmaktadır. Carver Mead, Caltech firmasından biyolog Misha Mahowald ile birlikte retinadaki sinir ağına benzer yapıda elektronik devreler tasarlamıştır. Yapılan bu devrelerde gözdeki gibi ışık algılayıcıları bulunmaktadır. Algılayıcılar tıpkı retinada olduğu gibi bir diğer algılayıcıyla bağlantı halindedir. Kullanılan direnç, amfi gibi elektronik devre parçalarının, ışık algılayıcılarının, retina hücreleri gibi kendi aralarında haberleşebilmelerine imkan tanımaktadır.5

Ancak tüm çabalara rağmen, bu devreyi, retina ağında olduğu gibi birebir olarak taklit edebilmek mümkün olmamıştır. Çünkü canlı bir retinadaki hücrelerin ve bunların arasındaki bağlantıların sayısı çok fazladır. Bunun yerine tasarım mühendisleri şu an için, retinadaki sinir ağının ön işlemlerini nasıl yaptıklarını anlamaya çalışıp, aynı işi yapabilen daha basit devreler tasarlamaktadırlar.

1 ABD Ulusal Sandia Laboratuvarları Haber Bülteni, 12 Temmuz 2001
2 Wild Technology, Phil Gates, s. 54
3 David H.Hubbel, Eye Brain and Vision, Scientific American Library, 1988, s.34.
4 http://www. nature. com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v410/n6828/full/410510a0_fs.html&filetype=&_UserReference=C0A804EC46516639F0E0A2AC62BC3BB39855; Jim Giles, Nature, "Think Like A Bee", 29 March 2001, s.510-512
5 http://www. nature. com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v410/n6828/full/410510a0_fs. html&filetype=&_UserReference=C0A804EC46516639F0E0A2AC62BC3BB39855; Jim Giles, Nature, "Think Like A Bee", 29 March 2001, s.510-512