Driven Odd Elasticity in Passive Mechanical Metamaterials

कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ भौतिकी के नियम किसी जादू के खेल की तरह महसूस होते हैं। हमारे रोज़मर्रा के अनुभव में, यदि आप एक स्प्रिंग को दबाते हैं, तो वह वापस धकेलता है; यदि आप एक रबर बैंड को मरोड़ते हैं, तो वह वापस मुड़ता है। यह "पैसिव" (निष्क्रिय) सामग्रियों की दुनिया है—जैसे स्टील, लकड़ी या रबर, जो बिना कुछ अतिरिक्त किए केवल ऊर्जा को संचित और मुक्त करते हैं। वे विनम्र, पूर्वानुमानित और 'पारस्परिकता' (reciprocity) नामक एक सख्त नियम का पालन करते हैं: यदि आप उन्हें खींचते हैं, तो वे खिंचते हैं; यदि आप उन्हें मरोड़ते हैं, तो वे घूमते हैं। वे आपको कभी भी आपके द्वारा किए गए कार्य के विपरीत व्यवहार करके चौंकाते नहीं हैं।

लेकिन क्या होगा अगर कोई सामग्री इस विनम्र समझौते को तोड़ दे? क्या होगा यदि आप उसे खींचें, और केवल खिंचने के बजाय, वह मुड़ने का निर्णय ले ले? या यदि आप उसे मरोड़ें, और वह वापस न खिंचने का फैसला करे? भौतिकी का यह अजीब, एकतरफा रास्ता "ऑड इलास्टिसिटी" (odd elasticity) कहलाता है। आमतौर पर, वैज्ञानिक सोचते हैं कि इस तरह व्यवहार करने के लिए आपको एक बैटरी, एक रोबोटिक मस्तिष्क, या किसी प्रकार के सक्रिय ऊर्जा स्रोत की आवश्यकता होती है। यह ऐसा है जैसे किसी दरवाजे को धक्का देने पर उसे खोलने के लिए एक मोटर की आवश्यकता हो। लेकिन क्या आप एक ऐसा दरवाजा बना सकते हैं जो केवल हवा के झोंके से खुल जाए, जिसमें केवल गियर और स्प्रिंग्स का उपयोग किया गया हो? यही वह बड़ा सवाल है जो यह शोध पत्र पूछता है: क्या आप एक पैसिव मशीन को चालाक ज्यामिति और थोड़ी सी थरथराहट (shaking) का उपयोग करके एक सक्रिय, जादुई मशीन की तरह काम करने के लिए प्रेरित कर सकते हैं?

बोस्टन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ता, मोहम्मद रहीमी और हेरोल्ड एस. पार्क कहते हैं कि हाँ। उन्होंने एक मैकेनिकल मेटामटेरियल (mechanical metamaterial) डिज़ाइन किया है—एक ऐसी संरचना जो छोटे, दोहराए जाने वाले हिस्सों से बनी है—जो केवल पैसिव घटकों का उपयोग करके इस "ड्रिवन ऑड इलास्टिसिटी" (driven odd elasticity) को प्रदर्शित करती है। उन्होंने इसमें किसी भी इलेक्ट्रॉनिक्स, बैटरी या फीडबैक लूप का उपयोग नहीं किया है। इसके बजाय, उन्होंने एक स्क्वायर लैटिस (एक ग्रिड जो छोटी बीम से बना है) और विशेष 'कायरल गियर्स' (चिरल गियर्स - ऐसे गियर जिनके दांत एक विशिष्ट दिशा में तिरछे या सर्पिल होते हैं) का उपयोग करके एक प्रणाली बनाई है।

यहाँ बताया गया है कि उनकी मशीन कैसे काम करती है। कल्पना कीजिए कि एक गियर दो दीवारों के बीच स्थित है। एक दीवार फर्श है, और दूसरी छत है। गियर के दांतों और छत के बीच 0.15 मिमी का एक छोटा सा अंतराल या "क्लियरेंस" है। शोधकर्ता इस गियर को एक मामूली डगमगाहट के साथ बहुत तेज़ी से (12π रेडियंस प्रति सेकंड की आवृत्ति पर) आगे-पीछे घुमाते हैं। यह घूमना ही "ड्राइव" है। अब, कल्पना कीजिए कि वे इस गियर से जुड़ी बीम के ग्रिड को धीरे-धीरे खींचते हैं। जैसे-जैसे ग्रिड खिंचता है, गियर दबने लगता है। उस सूक्ष्म अंतराल के कारण, गियर क्षण भर के लिए छत के संपर्क से हट जाता है, एक दांत के ऊपर से कूदता है, और अगले दांत पर लैंड करता है। क्योंकि दांत तिरछे (कायरल) हैं, यह कूद केवल गियर को ऊपर या नीचे नहीं ले जाती; यह गियर को बगल की ओर खिसकने के लिए मजबूर करती है।

यही वह जादू का खेल है। ग्रिड को सीधा खींचकर (तनाव/tension), वे इसे बगल की ओर खिसकने (शीयर/shear) के लिए मजबूर करते हैं। लेकिन यहाँ मुख्य बात यह है: यदि वे पहले सामग्री को बगल की ओर खिसकाने की कोशिश करते हैं, तो यह उसे सीधा नहीं खींचता है। यह संबंध एकतरफा है। भौतिकी की भाषा में, यह एक "ऑड शीयर मोडुलस" (odd shear modulus) बनाता है। इस सामग्री में एक छिपा हुआ गुण है, एक संख्या जिसे 'A' (जिसे उन्होंने 3125 GPa गणना किया है) कहा जाता है, जो खींचने को मरोड़ने से इस तरह जोड़ती है जो सामान्य समरूपता के नियमों को तोड़ देती है।

क्योंकि यह संबंध टूटा हुआ है, यह सामग्री कुछ ऐसा कर सकती है जो सामान्य स्प्रिंग्स के लिए असंभव है: यह "नॉन-कंजर्वेटिव वर्क" (non-conservative work) कर सकती है। एक सामान्य चक्र में, यदि आप एक स्प्रिंग को खींचते हैं और फिर उसे छोड़ देते हैं, तो आपको वही ऊर्जा वापस मिलती है जो आपने डाली थी। लेकिन इस गियर-ड्रिवन मशीन में, यदि आप इसे एक विशिष्ट लूप में खींचते और मरोड़ते हैं, तो यह दिशा के आधार पर ऊर्जा को अवशोषित कर सकती है या मुक्त कर सकती है। यह एक रोलर कोस्टर की तरह है जो बिना किसी मोटर के, केवल इसलिए गति प्राप्त या खो देता है क्योंकि उसका पथ असममित है।

शोध पत्र ने यह भी देखा कि इस अजीब सामग्री के माध्यम से तरंगें (waves) कैसे यात्रा करती हैं। सामान्य सामग्रियों में, तरंगें समान रूप से फैलती हैं। लेकिन क्योंकि इस सामग्री में वह "अजीब" गुण है, यह "पैरिटी-टाइम" (PT) सिमेट्री नामक एक समरूपता को तोड़ती है। इससे "नॉन-हर्मिटीन स्किन इफेक्ट" (non-Hermitian skin effect) नामक घटना उत्पन्न होती है। कल्पना कीजिए कि आप एक गलियारे में चिल्ला रहे हैं; आमतौर पर, ध्वनि हर जगह गूँजती है। लेकिन इस मेटामटेरियल में, ध्वनि तरंगें फंस जाती हैं। वे संरचना के एक छोर पर जमा होकर बढ़ जाती हैं और दूसरे छोर पर समाप्त हो जाती हैं। शोधकर्ताओं ने इस व्यवहार का अनुकरण (simulate) किया और पाया कि तरंगें वास्तव में किनारों पर केंद्रित होती हैं, जो ऊर्जा के लिए एक एकतरफा सड़क की तरह व्यवहार करती हैं।

लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि ये परिणाम ABAQUS नामक सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं। उन्होंने अभी तक इसका कोई विशाल भौतिक संस्करण नहीं बनाया है, लेकिन गणित और वर्चुअल मॉडल दिखाते हैं कि यह काम करता है। वे स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करते हैं कि इस प्रभाव को प्राप्त करने के लिए आपको सक्रिय इलेक्ट्रॉनिक्स या आंतरिक ऊर्जा स्रोतों की आवश्यकता है। इसके बजाय, वे दिखाते हैं कि "ड्राइव" गियर्स की बाहरी थरथराहट से आती है, और "अजीब" व्यवहार दांतों की चतुर आकृति से आता है।

तो, इसका क्या अर्थ है? इसका अर्थ यह है कि "ऑड इलास्टिसिटी" की विचित्र, जादुई दुनिया केवल बैटरी वाले रोबोटों के लिए नहीं है। इसे सरल, पैसिव गियर्स और स्प्रिंग्स का उपयोग करके बनाया जा सकता है यदि आप जानते हैं कि उन्हें कैसे व्यवस्थित करना है। यह तरंगों को बढ़ाने, अजीब तरह से चलने या ऊर्जा को नए पैटर्न में संग्रहीत करने वाले सामग्रियां बनाने का द्वार खोलता है, और वह भी बिना किसी पावर कॉर्ड के। यह एक याद दिलाता है कि कभी-कभी, सबसे जटिल व्यवहार, हिस्सों के सबसे सरल और चंचल अरेंजमेंट से आते हैं।