Fluidic hysterons and memory in flow networks

बहते जल का गुप्त जीवन

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ पानी केवल बहता नहीं है; बल्कि उसे याद रहता है। भौतिकी के छिपे हुए कोनों में, वैज्ञानिक "स्मृति" (मेमोरी) का अध्ययन एक मानवीय गुण के रूप में नहीं, बल्कि एक यांत्रिक गुण के रूप में करते हैं। एक रबर बैंड के बारे में सोचें: यदि आप इसे खींचते हैं और छोड़ देते हैं, तो यह वापस खिंच जाता है। लेकिन कुछ सामग्रियाँ अधिक जटिल होती हैं। वे "बाइस्टेबल" (bistable) प्रकृति वाली होती हैं, जिसका अर्थ है कि वे दो अलग-अलग आकारों में से किसी एक में सहजता से रह सकती हैं, जैसे कि एक लाइट स्विच जो या तो पूरी तरह से "ऑन" होता है या पूरी तरह से "ऑफ"। जब आप इन सामग्रियों को धकेलते हैं, तो वे सुचारू रूप से नहीं बदलतीं; वे अचानक एक अवस्था से दूसरी अवस्था में "स्नैप" (झटके से बदलना) करती हैं। इस व्यवहार को हिस्टेरेसिस (hysteresis) कहा जाता है। यही कारण है कि चुंबक चुंबकत्व हटाने के बाद भी चुंबक बना रहता है, या क्यों कागज का एक मुड़ा हुआ टुकड़ा दो बार बिल्कुल एक ही तरह से नहीं खुलता।

आमतौर पर, हम इसे ठोस चीजों में देखते हैं—जैसे धातु का मुड़ना, प्लास्टिक का टूटना, या रेत के कणों का खिसकना। लेकिन तरल पदार्थों के बारे में क्या? पानी अपनी प्रतिवर्ती (reversible) प्रकृति के लिए प्रसिद्ध है; यदि आप इसे हिलाते हैं और फिर वापस हिलाते हैं, तो यह अपनी मूल स्थिति में लौट आता है। हालाँकि, वैज्ञानिक लंबे समय से आश्चर्य करते आए हैं: क्या बहते हुए तरल पदार्थों का एक नेटवर्क, जैसे आपके मस्तिष्क की सूक्ष्म रक्त वाहिकाएं या स्लाइम मोल्ड की नलिकाएं, अपनी खुद की स्मृति विकसित कर सकते हैं? क्या प्रवाह स्वयं, लचीली दीवारों के साथ मिलकर, एक ऐसा सिस्टम बना सकता है जो यह "याद रखे" कि उसे अतीत में कैसे धकेला गया था? यही वह प्रश्न है जो येल यूनिवर्सिटी के एक नए अध्ययन के केंद्र में है, जो यह पता लगा रहा है कि कैसे पानी और डगमगाते रेशे (fibers) बिना किसी इलेक्ट्रॉनिक्स या ठोस स्विच के एक मेमोरी मशीन बनाने के लिए टीम बना सकते हैं।

शोध पत्र: जब पानी एक स्विच की तरह झटके से बदलता है

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं अभीनीत सिंह राजपूत और अमीर ए. पहलवन ने एक एकल लचीले रेशे (elastic fiber) को मेमोरी स्विच की तरह कार्य करने का तरीका खोजा, और वह भी पूरी तरह से बहते पानी की शक्ति के माध्यम से। उन्होंने किसी पहले से बने "स्नैप-थ्रू" स्प्रिंग या बकलिंग बीम का उपयोग नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक छोटा माइक्रोफ्लुइडिक चैनल (एक सूक्ष्म पाइप) बनाया और उसके भीतर एक कोमल, लचीले रेशे को थोड़े कोण पर स्थापित किया।

यहाँ जादू का कमाल है: जैसे ही उन्होंने चैनल के माध्यम से पानी के प्रवाह को धीरे-धीरे बढ़ाया, रेशे ने केवल धीरे से मुड़ने के बजाय, अचानक एक नई स्थिति में स्नैप (snap) किया। क्यों? यह फीडबैक का खेल है। जैसे ही पानी रेशे को धकेलता है, रेशा मुड़ता है और अपने बगल के अंतर (gap) को संकरा कर देता है। यह संकुचन इस अंतर से पानी के गुजरने को कठिन बना देता है, जिससे दबाव बदल जाता है और रेशे को और भी जोर से धकेलता है, जिससे वह बंद होने के लिए झटके से मुड़ जाता है। यह एक "फ्लुइडिक हिस्टेरोन" (fluidic hysteron) है—एक स्मृति तत्व जो शुद्ध रूप से बहते तरल और मुड़ते ठोस के बीच के नृत्य से पैदा हुआ है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि रेशे का स्नैप होना या केवल मुड़ना उसकी ज्यामिति (geometry) पर निर्भर करता है। यदि रेशा चैनल की चौड़ाई की तुलना में छोटा है, तो वह सुचारू रूप से मुड़ता है। लेकिन यदि रेशा पर्याप्त लंबा है (विशेष रूप से, जब उसके लंबाई और चैनल की चौड़ाई का अनुपात, $\lambda$, लगभग 1 होता है), तो वह अचानक एक विच्छिन्न उछाल (discontinuous jump) लेता है। यह उछाल एक "हिस्टेरेसिस लूप" बनाता है: रेशे को बंद करने के लिए आवश्यक प्रवाह दर, उसे फिर से खोलने के लिए आवश्यक प्रवाह दर से भिन्न होती है। सिस्टम "याद रखता" है कि वह हाल ही में स्नैप हुआ था या नहीं।

"लोड लाइन": मस्तिष्क के लिए एक बाईपास

इस एकल रेशे को एक ट्यूनेबल डिवाइस में बदलने के लिए, टीम ने रेशे वाले चैनल के बगल में एक दूसरा, समानांतर चैनल—एक "बाईपास"—जोड़ा। वे इस बाईपास की चौड़ाई को बदल सकते थे, जिसे $\beta$ नामक अनुपात द्वारा नियंत्रित किया जाता है। बाईपास को एक वैकल्पिक मार्ग (detour road) के रूप में सोचें।

जब बाईपास संकरा (या अनुपस्थित) होता है, तो रेशा अपना काम करता है: वह स्नैप होता है, जिससे एक स्मृति बनती है। लेकिन जैसे ही शोधकर्ताओं ने बाईपास को चौड़ा किया, उन्होंने पाया कि वे इस स्मृति को "ट्यून" कर सकते हैं। एक चौड़ा बाईपास एक सुरक्षा वाल्व की तरह कार्य करता है, जो रेशे से कुछ पानी के प्रवाह को चुरा लेता है। यह रेशे पर दबाव को कम कर देता है, जिससे उसका स्नैप होना कठिन हो जाता है। यदि बाईपास पर्याप्त चौड़ा है, तो रेशा कभी स्नैप नहीं होता; स्मृति गायब हो जाती है। यह वैज्ञानिकों को एक पड़ोसी चैनल की चौड़ाई बदलकर रेशे को एक "स्नैपी" (झटकेदार) स्विच से एक "स्मूथ" (सुचारू) मोड़ में सुचारू रूप से संक्रमण करने की अनुमति देता है। यह स्वयं स्मृति के लिए एक डिमर स्विच रखने जैसा है।

हिमस्खलन (Avalanche): जब एक रेशा दूसरों को खींचता है

असली रोमांच तब शुरू होता है जब वे एक पंक्ति में दस ऐसे रेशों को रखते हैं। बिना बाईपास वाले एक सरल सेटअप में, प्रत्येक रेशा स्वतंत्र रूप से कार्य करता है। यदि आप प्रवाह बढ़ाते हैं, तो वे डोमिनोज़ के गिरने की तरह एक अनुमानित क्रम में एक-एक करके स्नैप होते हैं। यह एक "गैर-परस्पर क्रियात्मक" (non-interacting) सिस्टम है, और यह "रिटर्न-पॉइंट मेमोरी" (RPM) नामक एक सख्त नियम का पालन करता है। इसका अर्थ है कि यदि आप सिस्टम को आधा धकेलते हैं, रुकते हैं, और फिर उसे वापस वहीं खींचते हैं जहाँ से शुरू किया था, तो यह ठीक उसी स्थिति में लौट आता है जिसमें यह पहले था। यह एक पूर्ण, आज्ञाकारी स्मृति है।

हालाँकि, जब उन्होंने बाईपास खोला ( $\beta$ को बढ़ाकर), तो रेशे पानी के माध्यम से एक-दूसरे से बात करने लगे। क्योंकि वे एक ही दबाव साझा करते हैं, जब एक रेशा स्नैप होकर अपना रास्ता अवरुद्ध करता है, तो पानी बाईपास की ओर मुड़ जाता है, जिससे अन्य रेशों के लिए प्रवाह की स्थितियाँ बदल जाती हैं। यह एक "लॉन्ग-रेंज" (दीर्घ-दूरी) परस्पर क्रिया पैदा करता है।

अचानक, व्यवस्थित डोमिनोज़ प्रभाव टूट जाता है। एक-एक करके स्नैप होने के बजाय, रेशे हिमस्खलन (avalanches) को ट्रिगर करने लगते हैं। एक रेशा स्नैप होता है, जो प्रवाह को इतना बदल देता है कि वह दूसरे रेशे को तुरंत उसके बाद स्नैप होने के लिए मजबूर करता है, या यहाँ तक कि पहले से स्नैप हुए रेशे को "अन-स्नैप" (खुला) होने का कारण बनता है। सिस्टम सुचारू चरणों के बजाय अराजक, तिरछी छलांगों के साथ अवस्थाओं के बीच कूदता है।

सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि यह परस्पर क्रिया रिटर्न-पॉइंट मेमोरी को नष्ट कर देती है। यदि आप सिस्टम को आधा धकेलते हैं और फिर वापस खींचते हैं, तो यह ठीक उसी स्थिति में नहीं लौटता। यह एक नई, अधिक जटिल संरचना में "फँस" जाता है। सिस्टम ने याद रखने का एक नया, अधिक जटिल तरीका सीख लिया है—जो अव्यवस्थित, संवादात्मक और आश्चर्यों से भरा है।

इसका क्या अर्थ है

यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि मेमोरी बनाने के लिए आपको जटिल इलेक्ट्रॉनिक्स या सॉलिड-स्टेट स्विच की आवश्यकता नहीं है। आप इसे पूरी तरह से निष्क्रिय, बहते हुए तरल पदार्थों और लचीले रेशों से बना सकते हैं। "स्मृति" फीडबैक लूप से उत्पन्न होती है: प्रवाह रेशे को मोड़ता है, मुड़ा हुआ रेशा प्रवाह को बदलता है, और नया प्रवाह रेशे को और अधिक धकेलता है।

शोधकर्ताओं ने दिखाया कि केवल चैनलों की ज्यामिति (बाईपास की चौड़ाई) को समायोजित करके, वे यह नियंत्रित कर सकते हैं कि सिस्टम एक सरल, आज्ञाकारी स्विच की तरह कार्य करेगा या एक जटिल, परस्पर क्रिया करने वाला नेटवर्क जो हिमस्खलन के प्रति संवेदनशील है। यह सुझाव देता है कि प्रकृति में, शायद मस्तिष्क की सूक्ष्म रक्त वाहिकाओं में या स्लाइम मोल्ड की नलिकाओं में, इसी तरह के फ्लूइड-स्ट्रक्चर फीडबैक लूप इस कारण हो सकते हैं कि ये जीवित नेटवर्क अपने इतिहास को "याद रखते" हैं और समय के साथ अपने आकार को अनुकूलित करते हैं। ऐसा प्रतीत होता है कि बिना मस्तिष्क के भी, पानी और डगमगाती दीवारें यह बता सकती हैं कि वे कहाँ से आई हैं।