More is less in unpercolated active solids
यह शोध पत्र गैर-पारस्परिक सक्रिय ठोसों (non-reciprocal active solids) में एक प्रति-सहज घटना को प्रदर्शित करता है जहाँ सूक्ष्म गतिविधि में वृद्धि से मैक्रोस्केल प्रतिक्रिया लुप्त हो जाती है क्योंकि उच्च गतिविधि स्थानीयकृत, गैर-समान (non-affine) मोड को सक्रिय करती है जो बड़े पैमाने के हस्ताक्षरों को नष्ट कर देते हैं, विशेष रूप से अपरकोलेटेड या विरल संरचनाओं में।
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"सुपर-पावर्ड" पुल का विरोधाभास: क्यों अधिक गतिविधि का अर्थ कम शक्ति हो सकता है
कल्पना कीजिए कि आप एक पुल बना रहे हैं। सामान्य, "निष्क्रिय" (passive) सामग्रियों की दुनिया में—जैसे गगनचुंबी इमारत में स्टील या घर में लकड़ी—एक बहुत ही सरल नियम है: हिस्से जितने सख्त होंगे, पुल उतना ही सख्त होगा। यदि आप एक डगमगाती लकड़ी की बीम को एक ठोस स्टील की बीम से बदल देते हैं, तो पूरा पुल अधिक मजबूत हो जाता है। यह भौतिकी का एक मौलिक नियम है जिसे ले शातेलिए का सिद्धांत (Le Chatelier’s Principle) कहा जाता है: यदि आप किसी प्रणाली को अधिक कठोर बनाने की कोशिश करते हैं, तो वह अधिक स्थिर होने के रूप में प्रतिक्रिया करती है।
लेकिन वैज्ञानिकों के एक समूह ने "मैट्रिक्स में एक गड़बड़ी" (glitch in the matrix) की खोज की है। उन्होंने एक नए प्रकार की सामग्री बनाई है जिसे सक्रिय ठोस (active solid) कहा जाता है, और इन सामग्रियों में, नियम पूरी तरह से उल्टा हो जाता है। इस अजीब नई दुनिया में, अधिक का अर्थ कम है।
"सक्रिय" सामग्री: नन्हे शोर मचाने वाले रोबोट
इसे समझने के लिए, मृत स्टील से बने पुल के बजाय, कल्पना करें कि आपने लाखों छोटे, सूक्ष्म रोबोटों से बना एक पुल बनाया है। ये रोबोट केवल वहां बैठे नहीं हैं; वे लगातार धक्का दे रहे हैं, खींच रहे हैं और मरोड़ रहे हैं। यह "धक्का देने की प्रवृत्ति" ही वह है जिसे वैज्ञानिक गतिविधि (activity) कहते हैं।
जब ये छोटे रोबोट एक समन्वित तरीके से मिलकर काम करते हैं, तो वे सामग्री को ऐसी चीजें करने में सक्षम बना सकते हैं जो एक सामान्य पुल कभी नहीं कर सकता—जैसे कि अजीब, मरोड़ने वाले बल उत्पन्न करना या ऐसे तरीकों से हिलना जो गुरुत्वाकर्षण को चुनौती देते हुए प्रतीत होते हैं। इसे गैर-पारस्परिकता (non-reciprocity) कहा जाता है। यह एक कॉन्सर्ट में भीड़ की तरह है: यदि हर कोई एक समन्वित लहर में धक्का देता है, तो पूरी भीड़ उस शक्ति के साथ चलती है जिसकी एक अकेला व्यक्ति कल्पना भी नहीं कर सकता।
खोज: "चेकरबोर्ड लॉक" (Checkerboard Lock)
शोधकर्ताओं ने परीक्षण करने के लिए एक "रोबिक मेटा-मटेरियल" बनाया—जो मोटरयुक्त जोड़ों (motorized joints) का एक जाल था। उन्हें उम्मीद थी कि जैसे-जैसे वे मोटरों की शक्ति बढ़ाएंगे (गतिविधि को बढ़ाते हुए), सामग्री अधिक "सक्रिय" और उत्तरदायी हो जाएगी।
लेकिन कुछ गलत हो गया।
जैसे ही उन्होंने शक्ति को बढ़ाया, बाहरी बलों के प्रति सामग्री की प्रतिक्रिया देने की क्षमता केवल धीमी ही नहीं हुई—बल्कि वह वास्तव में लुप्त होने लगी। ऐसा लग रहा था जैसे रोबोट जितनी कड़ी मेहनत कर रहे थे, वे उसी संरचना को पंगु बना रहे थे जिसे उन्हें शक्ति देनी थी।
ऐसा क्यों हुआ? "चेकरबोर्ड लॉक"।
एक डांस फ्लोर की कल्पना करें।
- कम गतिविधि: डांसर थोड़ा बहुत हिल रहे हैं। यदि आप भीड़ को धक्का देते हैं, तो गति कमरे में सुचारू रूप से लहर की तरह फैलती है। भीड़ "जुड़ी हुई" है।
- उच्च गतिविधि: डांसर अपनी व्यक्तिगत गतिविधियों में इतने तीव्र और आक्रामक हो जाते हैं कि वे आपस में लगातार टकराने लगते हैं। पूर्ण टकराव से बचने के लिए, वे सहज रूप से "लॉक" हो जाते हैं। वे संतुलन बनाए रखने के लिए एक कठोर, गैर-गतिमान चेकरबोर्ड पैटर्न में जम जाते हैं।
क्योंकि प्रत्येक छोटा रोबोट अपने स्वयं के तीव्र, गैर-पारस्परिक बलों को संतुलित करने में इतना व्यस्त है, वे अपने पड़ोसियों के साथ संवाद करना बंद कर देते हैं। गति की "लहर" अब भीड़ के माध्यम से यात्रा नहीं कर पाती। सूक्ष्म ऊर्जा अभी भी वहीं है, लेकिन यह व्यक्तिगत रोबोटों के भीतर फंसी हुई है, जो एक बड़ी, मैक्रोस्कोपिक गति में बदलने में असमर्थ है।
"परकोलेशन" का रहस्य: टूटी हुई कड़ी
वैज्ञानिकों ने पाया कि यह "लॉकिंग" परकोलेशन (percolation) नामक चीज़ के कारण होती है।
हाथ पकड़कर रस्सी खींचने वाले लोगों की एक श्रृंखला की कल्पना करें। यदि हर कोई हाथ पकड़े हुए है, तो पूरी श्रृंखला रस्सी खींच सकती है (यह "परकोलेशन" है)। लेकिन यदि आप यादृच्छिक रूप से लोगों को हटाना शुरू करते हैं, तो अंततः आप एक ऐसे मोड़ पर पहुँच जाते जहाँ श्रृंखला छोटे, अलग-थलग समूहों में टूट जाती है। भले ही उन छोटे समूहों में लोग अविश्वसनीय रूप से मजबूत हों, वे रस्सी नहीं खींच सकते क्योंकि वे एक-दूसरे से जुड़े नहीं हैं।
इन सक्रिय सामग्रियों में, जब "गतिविधि" बहुत अधिक हो जाती है या जुड़ाव बहुत विरल हो जाता है, तो "सक्रिय बल श्रृंखलाएं" टूट जाती हैं। ऊर्जा "स्थानीय जेबों" (local pockets) में फंस जाती है, और पूरी सामग्री बाहरी दुनिया के लिए "मृत" हो जाती है।
यह क्यों मायने रखता है?
यह सुनने में एक विफलता लग सकता है, लेकिन इंजीनियरों के लिए, यह एक सुपरपावर है।
इस "अधिक का अर्थ कम है" नियम को समझकर, हम ऐसी सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं जो स्व-ट्यून (self-tune) हो सकें। हम ऐसे रोबोट बना सकते हैं जो एक सेकंड के लिए नरम और लचीले हों, और फिर—अपनी आंतरिक "गतिविधि" को बढ़ाकर—तुरंत एक कठोर, अडिग संरचना में बदल जाएं।
यह एक ऐसी इमारत रखने जैसा है जो अपनी आंतरिक गतिविधि को स्विच से बदलकर, एक डगमगाते आसमान छूते भवन से एक ठोस हीरे जैसी ठोस संरचना में बदल सकती है। हम अगली पीढ़ी की स्मार्ट, जीवित मशीनों को बनाने के लिए जीवन की "अराजकता" को इंजीनियर करना सीख रहे हैं।
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