कृमि, स्प्रिंग्स, और नरम रोबोट: छोटे जीव प्रेरित विशाल छलांग

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

अपने शरीर को तंग कinks में दबाकर, कृमि लोचदार ऊर्जा संग्रहीत करता है और फिर अचानक इसे छोड़ देता है, खुद को ऊपर या पीछे की ओर फेंकता है, जैसे कि एक जिमनास्ट। 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 मुड़ता 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 बहुत कुछ एक व्यक्ति की तरह स्क्वाट करता है, फिर विस्फोटक रूप से अनबेंड होता है और 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 बनाता है ताकि वह पीछे की ओर कूद सके, फिर सीधा होता है और अपनी पूंछ में कinks बनाता है ताकि आगे की ओर कूद सके।

जॉर्जिया टेक टीम ने पाया कि ये तंग कinks – सामान्य रूप से 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, कinked स्ट्रॉ या नलियां बेकार होती हैं, लेकिन एक कinked कृमि एक लोडेड स्प्रिंग की तरह काम करता है। प्रयोगशाला में, नरम रोबोट इस ट्रिक को दोहराता है: यह अपने मध्य या पूंछ को “पिंच” करता है, तनावपूर्ण होता है, और फिर एक विस्फोट (लगभग एक-दसवें मिलीसेकंड) में छोड़ देता है और हवा में उछलता है।

नरम रोबोट का उदय

नरम रोबोटिक्स एक युवा लेकिन तेजी से बढ़ता हुआ क्षेत्र है जो अक्सर प्रकृति से संकेत लेता है। कठोर धातु की मशीनों के विपरीत, नरम रोबोट लचीले सामग्रियों से बने होते हैं जो अपने आसपास के वातावरण में दबाव, खिंचाव 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 नरम मशीनों का एक चिड़ियाघर बनाया है: कृमि जैसे क्रॉलर और जेलीफाइड ग्रिपर से लेकर पहनने योग्य “एक्सो-सूट” और रोलिंग वाइन जैसे रोबोट तक।

उदाहरण के लिए, येल शोधकर्ताओं ने एक कछुए से प्रेरित नरम रोबोट बनाया जिसके पैर तैरने या चलने के आधार पर लूज़ फ्लिपर्स और सख्त “लैंड लेग्स” के बीच स्विच करते हैं। यूसीएसबी में, वैज्ञानिकों ने एक वाइन जैसे रोबोट का निर्माण किया 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 नरम सामग्री नए गति मोड बना सकती है।

कुल मिलाकर, समर्थकों का कहना है कि नरम रोबोट वे जगहें जा सकते हैं जहां पारंपरिक रोबोट नहीं जा सकते। यू.एस. नेशनल साइंस फाउंडेशन का उल्लेख है कि अनुकूलनीय नरम मशीनें “पारंपरिक रोबोट द्वारा पहले से अनुपयोगी स्थानों का अन्वेषण करती हैं” – यहां तक कि मानव शरीर के अंदर भी। कुछ नरम रोबोटों में प्रोग्राममेबल “त्वचा” होती है जो वस्तुओं को पकड़ने या मिश्रित होने के लिए कठोरता या रंग बदल सकती है। इंजीनियरों ने ओरिगामी/किरिगामी तकनीक, शेप-मेमोरी पॉलिमर और अन्य तरकीबें भी खोजी हैं ताकि वे रोबोट उड़ान भर सकें।

लचीला गति इंजीनियरिंग

एक नरम रोबोट को जानवर की तरह चलाने से बड़ी चुनौतियाँ आती हैं। कठोर जोड़ या मोटर के बिना, डिजाइनरों को सामग्री के गुणों और चतुर ज्यामिति पर भरोसा करना होगा। उदाहरण के लिए, जॉर्जिया टेक के कूदने वाले रोबोट में अपने रबड़ के 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 का उल्लेख है, पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स सख्त होते हैं और एक नरम रोबोट को जगह पर जमा देंगे।

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

जॉर्जिया टेक के नेमाटोड-प्रेरित नरम रोबोट (फोटो: कैंडलर हॉब्स)

एक और बाधा सही भौतिकी का शोषण है। नेमाटोड-रोबोट टीम ने सीखा कि कinks वास्तव में मदद करते हैं। एक सामान्य रबड़ की नली में, एक कink जल्दी से प्रवाह को रोक देता है; लेकिन एक नरम कृमि में, यह आंतरिक दबाव को धीरे-धीरे बनाता है, जिससे रिलीज से पहले बहुत अधिक मुड़ाव возмож 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 मुड़ा हुआ होने पर बहुत सारी लोचदार ऊर्जा पकड़ सकता है, और फिर इसे एक तेज कूद में छोड़ सकता है। परिणाम उल्लेखनीय है: आराम से, रोबोट 10 फीट तक की ऊंचाई तक कूद सकता है, बार-बार, बस अपनी रीढ़ को मोड़कर। ये सफलताएं – लोचदार सामग्रियों में ऊर्जा को संग्रहीत और रिलीज करने के तरीके खोजना – नरम रोबोटिक्स इंजीनियरिंग की विशिष्ट हैं।

वास्तविक दुनिया के कूदने वाले और सहायक

इन सभी नरम रोबोटों का क्या उपयोग है? सिद्धांत रूप में, वे उन स्थितियों को संभाल सकते हैं जो पारंपरिक मशीनों के लिए खतरनाक या असहज हैं। आपदा क्षेत्रों में, उदाहरण के लिए, नरम बॉट्स मलबे के नीचे या ढही हुई इमारतों में घुस सकते हैं और जीवित पीड़ितों को खोज सकते हैं। पेन स्टेट ने एक प्रोटोटाइप चुंबकीय रूप से नियंत्रित नरम क्रॉलर का प्रदर्शन किया जो तंग मलबे या यहां तक कि रक्त वाहिका के आकार के चैनलों में नेविगेट कर सकता है।

चिकित्सा में, सूक्ष्म नरम रोबोट शरीर में सीधे दवाएं वितरित कर सकते हैं। एक एमआईटी अध्ययन में, एक धागे जैसे पतले नरम रोबोट की कल्पना की गई जो धमनियों में तैर सकता है और खुली सर्जरी के बिना स्ट्रोक का इलाज करने के लिए थक्के को साफ कर सकता है। हार्वर्ड वैज्ञानिक भी नरम पहनने योग्य एक्सोस्केलेटन पर काम कर रहे हैं – एक हल्का सिलिकॉन स्लीव जो एएलएस रोगियों को अपने कंधे को उठाने में मदद करता है, तुरंत उनकी गति की सीमा में सुधार करता है।

अंतरिक्ष एजेंसियां भी नरम कूदने वालों की ओर देख रही हैं। पहिये रेत या चट्टानों पर फंस सकते हैं, लेकिन एक कूदने वाला रोबोट गड्ढों और रेतीले टीलों पर कूद सकता है। नासा甚至 चंद्रमा और बर्फीले चंद्रमाओं के लिए नए कूदने वालों की कल्पना कर रहा है। एक अवधारणा में, एक फुटबॉल के आकार का रोबोट एसपीएआरआरओडब्ल्यू बर्फ से भाप के जेट (जमे हुए बर्फ से उबाले हुए) का उपयोग करके यूरोपा या एन्सेलेडस पर कई मील तक कूद सकता है। इन चंद्रमाओं के कम गुरुत्वाकर्षण में, एक छोटी सी छलांग बहुत दूर तक जा सकती है – वैज्ञानिकों का कहना है कि पृथ्वी पर एक रोबोट की एक-मीटर की छलांग एन्सेलेडस पर 100 मीटर तक ले जा सकती है। विचार यह है कि इन कूदने वालों के दर्जनों चंद्रमा की सतह पर स्वतंत्र रूप से यात्रा कर सकते हैं जहां पहियेदार रोवर फंस जाएंगे। पृथ्वी पर, भविष्य के नरम कूदने वाले नदियों, कीचड़ या अस्थिर जमीन पर कूदकर खोज और बचाव मिशन में मदद कर सकते हैं जो पारंपरिक रोबोटों को रोक देगा।

नरम रोबोट उद्योग और कृषि में भी काम ढूंढ रहे हैं। एनएसएफ का उल्लेख है कि वे फैक्ट्री फ्लोर या फार्म पर सुरक्षित सहायक बन सकते हैं क्योंकि वे मानव के रास्ते में आने पर अनुपालन करते हैं। शोधकर्ताओं ने नरम ग्रिपर भी बनाए हैं जो नाजुक फल को बिना कुचले उठा सकते हैं। नरम मशीनों की लचीलापन का अर्थ है कि वे उन स्थानों पर कार्य कर सकते हैं जहां कठोर उपकरणों के लिए जगह या लचीलापन नहीं है।

अंत में, विशेषज्ञों का मानना है कि नरम रोबोटिक्स कई क्षेत्रों को मौलिक रूप से बदल देगी। कृमियों से लेकर पहनने योग्य सूट तक और चंद्रमा के कूदने वालों तक, यह शोध धागा दिखाता है कि छोटे जीवों का अध्ययन कैसे प्रौद्योगिकी में बड़ी छलांग लगा सकता है।