कृमि, स्प्रिंग्स, और सॉफ्ट रोबोट: छोटे जीव विशाल छलांग के लिए प्रेरित करते हैं

जॉर्जिया टेक के शोधकर्ताओं ने हाल ही में एक प्रभावशाली उपलब्धि का अनावरण किया: एक 5-इंच लंबा सॉफ्ट रोबोट जो किसी भी पैर के बिना 10 फीट तक हवा में छलांग लगा सकता है – एक बास्केटबॉल हूप की ऊंचाई। डिज़ाइन एक छोटे से नेमाटोड से प्रेरित था, जो एक मानव बाल से पतला होता है और जो अपने शरीर की लंबाई के कई गुना तक कूद सकता है।

अपने शरीर को तंग कinks में दबाकर, कृमि लोचदार ऊर्जा को संग्रहीत करता है और फिर अचानक इसे रिलीज़ करता है, खुद को आकाशवाणी या पीछे की ओर एक जिमनास्ट की तरह फेंकता है। इंजीनियरों ने इस गति की नकल की। उनका “सॉफ्टजेएम” रोबोट मूल रूप से एक लचीला सिलिकॉन रॉड है जिसमें एक सख्त कार्बन-फाइबर रीढ़ है। यह कैसे मोड़ता है, इसके आधार पर यह आगे या पीछे की ओर कूद सकता है – भले ही इसके पास कोई पहिये या पैर न हों।

कार्रवाई में, नेमाटोड-प्रेरित रोबोट एक व्यक्ति की तरह स्क्वाट करता है, फिर विस्फोटक रूप से अनबेंड होकर कूदता है। एक हाई-स्पीड कैमरा दिखाता है कि कृमि अपने सिर को ऊपर की ओर मोड़ता है और अपने शरीर के मध्य में कinks करता है ताकि वह पीछे की ओर कूद सके, फिर सीधा हो जाता है और अपनी पूंछ पर कinks करता है ताकि आगे की ओर कूद सके।

जॉर्जिया टेक की टीम ने पाया कि ये तंग मोड़ – सामान्य तौर पर नलियों या केबलों में एक समस्या – वास्तव में कृमि और रोबोट को बहुत अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने देते हैं। जैसा कि एक शोधकर्ता ने उल्लेख किया, मुड़े हुए स्ट्रॉ या नलियां बेकार होती हैं, लेकिन एक मुड़े हुए कृमि एक लोडेड स्प्रिंग की तरह काम करता है। प्रयोगशाला में, सॉफ्ट रोबोट इस ट्रिक को दोहराता है: यह अपने मध्य या पूंछ को “पिंच” करता है, तनाव में आता है, और फिर एक बुर्स्ट (लगभग एक-दसवें मिलीसेकंड) में रिलीज़ होता है ताकि यह हवा में उड़ सके।

सॉफ्ट रोबोट्स का उदय

सॉफ्ट रोबोटिक्स एक युवा लेकिन तेजी से बढ़ता हुआ क्षेत्र है जो अक्सर प्रकृति से संकेत लेता है। कठोर धातु की मशीनों के विपरीत, सॉफ्ट रोबोट लचीले सामग्रियों से बने होते हैं जो अपने आसपास के वातावरण के अनुसार सिकुड़ सकते हैं, खिंच सकते हैं और अनुकूलन कर सकते हैं। इस क्षेत्र में शुरुआती मील के पत्थर में हार्वर्ड का ऑक्टोबोट शामिल है – एक स्वायत्त रोबोट जो पूरी तरह से सिलिकॉन और तरल चैनलों से बना है, जिसमें कोई कठोर भाग नहीं है, जो ऑक्टोपस की मांसपेशियों से प्रेरित है। इसके बाद, इंजीनियरों ने सॉफ्ट मशीनों का एक चिड़ियाघर बनाया है: कृमि जैसे क्रॉलर और जेलिफाइड ग्रिपर से लेकर पहनने योग्य “एक्सो-सूट” और रोलिंग वाइन जैसे रोबोट तक।

उदाहरण के लिए, येल शोधकर्ताओं ने एक कछुए से प्रेरित सॉफ्ट रोबोट बनाया जिसके पैर तैरने या चलने के आधार पर फ्लॉपी फ्लिपर और फर्म “लैंड लेग” के बीच स्विच कर सकते हैं। यूसीएसबी में, वैज्ञानिकों ने एक बेल जैसे रोबोट बनाए जो केवल प्रकाश-संवेदनशील “त्वचा” का उपयोग करके प्रकाश की ओर बढ़ता है – यह वास्तव में संकरी जगहों में एक पौधे के तने की तरह खुद को बढ़ाता है। ये और अन्य जैव-प्रेरित नवाचार दिखाते हैं कि सॉफ्ट सामग्री नए तरीके से गति कैसे बना सकती है।

कुल मिलाकर, समर्थकों का कहना है कि सॉफ्ट रोबोट वे जगहें जा सकते हैं जहां पारंपरिक रोबोट नहीं जा सकते। यू.एस. नेशनल साइंस फाउंडेशन नोट्स कि अनुकूलन योग्य सॉफ्ट मशीनें “पारंपरिक रोबोट द्वारा पहले से अछूती जगहों का अन्वेषण करती हैं” – यहां तक कि मानव शरीर के अंदर भी। कुछ सॉफ्ट रोबोटों में प्रोग्राममेबल “त्वचा” होती है जो वस्तुओं को पकड़ने या मिलाने के लिए कठोरता या रंग बदल सकती है। इंजीनियर्स ओरिगामी/किरिगामी तकनीक, आकार-मेमोरी पॉलिमर, और अन्य तरकीबें भी खोज रहे हैं ताकि ये रोबोट उड़ान में पुनर्गठित हो सकें।

लचीली गति का अभियांत्रिकी

एक जानवर की तरह सॉफ्ट रोबोट को बनाने में बड़ी चुनौतियां आती हैं। कठोर जोड़ों या मोटर्स के बिना, डिज़ाइनरों को सामग्री के गुणों और चतुर ज्यामिति पर निर्भर रहना होगा। उदाहरण के लिए, जॉर्जिया टेक के जंपर में अपने रबड़ जैसे शरीर के अंदर एक कार्बन-फाइबर रीढ़ शामिल करनी थी ताकि स्प्रिंग एक्शन पर्याप्त शक्तिशाली हो। सेंसर और नियंत्रण प्रणालियों को एकीकृत करना भी मुश्किल है। जैसा कि पेन स्टेट इंजीनियर नोट करते हैं, पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स सख्त होते हैं और एक सॉफ्ट रोबोट को जगह पर जमा देंगे।

अपने छोटे क्रॉलिंग रेस्क्यू रोबोट को “स्मार्ट” बनाने के लिए, उन्हें अपने शरीर पर लचीले सर्किट फैलाने होते हैं ताकि यह अभी भी मोड़ सके। यहां तक कि ऊर्जा स्रोत खोजना भी मुश्किल है: कुछ सॉफ्ट रोबोट बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों या दबाव वाली हवा का उपयोग करते हैं क्योंकि एक भारी बैटरी ले जाना उन्हें नीचे की ओर दबा देगा।

जॉर्जिया टेक के नेमाटोड-प्रेरित सॉफ्ट रोबोट (फोटो: कैंडलर होब्स)

एक और बाधा सही भौतिकी का शोषण है। नेमाटोड-रोबोट टीम ने सीखा कि कinks वास्तव में मदद करते हैं। एक सामान्य रबड़ ट्यूब में, एक कink जल्दी से प्रवाह को रोक देता है; लेकिन एक सॉफ्ट कृमि में यह आंतरिक दबाव को धीरे-धीरे बनाता है, जिससे रिलीज से पहले बहुत अधिक मोड़ संभव हो जाता है। सिमुलेशन और यहां तक कि पानी से भरे गुब्बारे के मॉडल के साथ प्रयोग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका लचीला शरीर मोड़ जाने पर बहुत सारी लोचदार ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है, फिर इसे एक तेज़ कूद में रिलीज़ कर सकता है। परिणाम उल्लेखनीय है: आराम से रोबोट 10 फीट उच्च कूद सकता है, बार-बार, बस अपनी रीढ़ को मोड़कर। ये सफलताएं – लोचदार सामग्रियों में ऊर्जा को संग्रहीत और रिलीज करने के तरीके खोजना – सॉफ्ट रोबोटिक्स इंजीनियरिंग की विशिष्ट हैं।

वास्तविक दुनिया के हoppers और हेल्पर्स

इन सॉफ्ट रोबोट्स का क्या उपयोग है? सिद्धांत रूप में, वे ऐसी स्थितियों को संभाल सकते हैं जो कठोर मशीनों के लिए खतरनाक या असहज हैं। आपदा क्षेत्रों में, उदाहरण के लिए, सॉफ्ट बॉट मलबे के नीचे या ढही हुई इमारतों में घुसपैठ कर सकते हैं ताकि बचे हुए लोगों को ढूंढ सकें। पेन स्टेट ने एक प्रोटोटाइप चुंबकीय नियंत्रित सॉफ्ट क्रॉलर का प्रदर्शन किया जो संकीर्ण मलबे या यहां तक कि रक्त वाहिका-आकार के चैनलों के माध्यम से नेविगेट कर सकता है।

चिकित्सा में, सूक्ष्म सॉफ्ट रोबोट शरीर के अंदर सीधे दवाएं वितरित कर सकते हैं। एक एमआईटी अध्ययन में, एक धागे जैसे सॉफ्ट रोबोट को धमनियों के माध्यम से तैरने और खून के थक्कों को साफ करने के लिए कल्पना की गई, जो बिना खुली सर्जरी के स्ट्रोक का इलाज कर सकता है। हार्वर्ड वैज्ञानिक सॉफ्ट वियरेबल एक्सोस्केलेटन्स पर भी काम कर रहे हैं – एक हल्का सूजन वाला स्लीव जो एएलएस रोगियों को अपने कंधे को उठाने में मदद करता है, जिससे उनकी गति की सीमा तुरंत बेहतर हो जाती है।

अंतरिक्ष एजेंसियां भी सॉफ्ट लेपर्स की ओर देख रही हैं। पहिये रेत या चट्टानों में फंस सकते हैं, लेकिन एक कूदने वाला रोबोट गड्ढों और रेतीले टीलों पर कूद सकता है। नासा चंद्रमा और बर्फीले चंद्रमाओं के लिए नए कूदने वाले रोबोट की कल्पना भी कर रहा है। एक अवधारणा में, एक फुटबॉल-आकार का बॉट एसपीएआरआरओवी भाप जेट (पिघले हुए बर्फ से) का उपयोग करेगा ताकि वह यूरोपा या एन्सेलाडस पर कई मील तक कूद सके। इन चंद्रमाओं के कम गुरुत्वाकर्षण में, एक छोटी सी कूद बहुत दूर जा सकती है – वैज्ञानिकों का कहना है कि एक रोबोट की एक-मीटर की कूद पृथ्वी पर सौ मीटर तक ले जा सकती है। यह विचार है कि इन हoppers के दर्जनों चंद्रमाओं के विदेशी इलाके में “पूरी स्वतंत्रता के साथ यात्रा” कर सकते हैं जहां पहियेदार रोवर फंस जाएंगे। पृथ्वी पर, भविष्य के सॉफ्ट जंपर्स आपदा बचाव मिशनों में मदद कर सकते हैं जो नदियों, कीचड़ या अस्थिर जमीन पर कूद सकते हैं जो पारंपरिक रोबोटों को रोक देगा।

सॉफ्ट रोबोट उद्योग और कृषि में भी काम खोज रहे हैं। एनएसएफ नोट्स कि वे फैक्ट्री फ्लोर पर या खेतों में सुरक्षित सहायक बन सकते हैं क्योंकि वे मानव के रास्ते में होने पर अनुपालन करते हैं। शोधकर्ताओं ने सॉफ्ट ग्रिपर्स भी बनाए हैं जो नाजुक फल को बिना कुचले उठा सकते हैं। सॉफ्ट मशीनों की लचीलापन का अर्थ है कि वे उन स्थानों पर कार्य कर सकते हैं जो कठोर उपकरणों के लिए बहुत छोटे या लचीले हैं।

अंत में, विशेषज्ञों का मानना है कि सॉफ्ट रोबोटिक्स कई क्षेत्रों को मूल रूप से बदल देगा। कृमियों से लेकर पहनने योग्य सूट तक, चंद्रमा के हoppers तक, यह शोध धागा दिखाता है कि छोटे जीवों का अध्ययन तकनीक में बड़ी छलांग लगा सकता है।