A Durable Vision-Based Tactile Fingertip for Robotic Manipulation

रोबोट लंबे समय से कारखानों के फर्श के उस्ताद रहे हैं, जो कारों को जोड़ने या पैकेज छाँटने के लिए एक निश्चित पथ पर सटीकता के साथ चलते हैं। लेकिन उस नियंत्रित वातावरण से बाहर कदम रखने पर, उनकी कुशलता अक्सर लड़खड़ा जाती है। महसूस करने की क्षमता के बिना, एक रोबोटिक हाथ एक पके हुए टमाटर और कच्चे टमाटर के बीच आसानी से अंतर नहीं कर सकता, और न ही वह किसी फिसलन भरे उपकरण पर अपनी पकड़ को कुचलने से बचने के लिए समायोजित कर सकता है। इस अंतर को पाटने के लिए, इंजीनियरों ने विजन-आधारित स्पर्श सेंसर (vision-based tactile sensors) की ओर रुख किया है। ये उपकरण नरम, रबर जैसे उंगलियों के पोरों (fingertips) की तरह दिखते हैं, लेकिन इनके अंदर एक छोटा कैमरा छिपा होता है। जब उंगली का सिरा किसी वस्तु को छूता है, तो नरम सतह विकृत हो जाती है, और कैमरा आकार में उस बदलाव को कैप्चर करता है, जिससे दबाव और बनावट को संपर्क की एक विस्तृत छवि में बदल दिया जाता है। यह तकनीक रोबोटों को वह "देखने" की अनुमति देती है जो वे छू रहे हैं, जो एक ऐसा स्तर प्रदान करती है जो मानक कैमरे प्राप्त नहीं कर सकते। फिर भी, अपनी तमाम संभावनाओं के बावजूद, इन सेंसरों को वास्तविक दुनिया के कठिन कार्यों में जीवित रहने के लिए संघर्ष करना पड़ा है। वे नरम सामग्रियां जो उन्हें संवेदनशील बनाती हैं, आसानी से खरोंच जाती हैं, फट जाती हैं या बार-बार संपर्क के कारण घिस जाती हैं, जिससे उनका उपयोग कठिन औद्योगिक नौकरियों के बजाय कोमल प्रयोगशाला कार्यों तक सीमित हो जाता है।

MIT के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सेंसर को बुनियादी रूप से पुनर्गठित करके इस स्थायित्व की समस्या को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने एक सरल प्रश्न पूछा: क्या वे एक ऐसा रोबोटिक उंगली का सिरा बना सकते हैं जो न केवल सूक्ष्म विवरणों को महसूस करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो, बल्कि वर्तमान विकल्पों की तुलना में टूट-फूट के काफी लंबे समय तक सहने के लिए भी पर्याप्त मजबूत हो? उन्हें जो उत्तर मिला, उसमें सामग्रियों का एक विशिष्ट संयोजन और सेंसर के विफल होने के तरीके के बारे में सोचने का एक नया तरीका शामिल था। ऐसी सामग्री बनाने की कोशिश करने के बजाय जो कभी न टूटे, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जहाँ क्षति धीरे-धीरे होती है और जिसे जल्दी से ठीक किया जा सकता है। इसका परिणाम एक ऐसा उंगली का सिरा है जो वर्तमान वाणिज्यिक संस्करणों की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक समय तक चलता है और जिसे जटिल इलेक्ट्रॉनिक्स को अनप्लग करने या पुन: कैलिब्रेट करने की आवश्यकता के बिना सेकंडों में बदला जा सकता है।

इनकी नवीनता का मुख्य आधार सेंसर की त्वचा है। अधिकांश मौजूदा स्पर्श सेंसर एक नरम, रंगीन जेल का उपयोग करते हैं जो आसानी से क्षतिग्रस्त हो जाता है। MIT की टीम ने इसे एक पारदर्शी, सख्त प्लास्टिक जिसे थर्मोप्लास्टिक पॉलीयूरेथेन कहा जाता है, की एक पतली, पारदर्शी सुरक्षात्मक फिल्म द्वारा ढके गए स्पष्ट, नरम सिलिकॉन जेल से बदल दिया। यह फिल्म छोटे उभारों (bumps) से युक्त है जो कैमरे को छुई जाने वाली वस्तु पर ध्यान केंद्रित करने में मदद करती है और विचलित करने वाली पृष्ठभूमि की छवियों को धुंधला कर देती है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह फिल्म नरम जेल से जुड़ी रहे और उखड़ न जाए, शोधकर्ताओं ने एक विशेष रासायनिक बॉन्डिंग प्रक्रिया विकसित की। उन्होंने सतहों को प्लाज्मा स्प्रे और एक तरल कपलिंग एजेंट के साथ उपचारित किया, जिससे एक मजबूत, अदृश्य गोंद बना जो तनाव के तहत भी परतों को एक साथ रखता है। संपूर्ण सेंसिंग यूनिट एक कठोर प्लास्टिक कार्ट्रिज में स्थित होती है जो रोबोट की उंगली पर स्नैप (snap) होती है, जिससे पूरी यूनिट को बैटरी की तरह हटाया और बदला जा सकता है।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या उनका डिज़ाइन वास्तव में काम करता है, शोधकर्ताओं ने अपने सेंसरों को घिसाव को तेज करने के लिए डिज़ाइन किए गए दो क्रूर परीक्षणों के अधीन किया। पहले परीक्षण में, उन्होंने सेंसर को सैंडपेपर (रेगमाल) से ढके एक घूमते हुए ड्रम के विरुद्ध दबाया। इसने उस निरंतर रगड़ का अनुकरण किया जो एक रोबमाट अनुभव कर सकता है जब वह किसी खुरदरी सतह पर फिसलता है। नया सेंसर लगभग दो से तीन घंटे के निरंतर सैंडिंग के बाद अंततः विफल हुआ जब सुरक्षात्मक फिल्म फट गई। इसकी तुलना में, अन्य कंपनियों के वाणिज्यिक सेंसर एक मिनट से भी कम समय में विफल हो गए, उनकी सतह लगभग तुरंत फट गई। दूसरा परीक्षण और भी कष्टदायक था: एक धातु के प्रोब (probe) ने लगभग चार किलोग्राम के बल के साथ सेंसर पर दबाव डाला, और फिर हजारों बार अगल-बगल गति की। यह एक रोबोट द्वारा किसी वस्तु को चुमटने या खींचने के केंद्रित दबाव और कतरनी बलों (shearing forces) का अनुकरण करता है। इन परिस्थितियों में, नए सेंसर लगातार पांच, छह और यहाँ तक कि आठ दिनों के निरंतर परीक्षण के दौरान भी पूरी तरह से कार्य करते रहे। इसके विपरीत, वाणिज्यिक सेंसर केवल आधे घंटे के बाद विफलता के संकेत दिखाने लगे।

इन परिणामों को विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाने वाली बात केवल घंटों की संख्या नहीं है, बल्कि यह है कि वे कैसे विफल हुए। अतीत में, जब कोई स्पर्श सेंसर क्षतिग्रस्त हो जाता था, तो वह अक्सर पूरी तरह से काम करना बंद कर देता था, जिसके लिए तत्काल और कठिन मरम्मत की आवश्यकता होती थी। हालाँकि, नए सेंसर धीरे-धीरे खराब होते हैं। जब सैंडिंग परीक्षण ने अंततः एक दरार पैदा की, तो यह एक छोटा, स्थानीयकृत छेद था जिसने पूरी छवि को खराब नहीं किया; सेंसर क्षतिग्रस्त स्थान के आसपास वस्तुओं की बना тексту (texture) को स्पष्ट रूप से देख सकता था। इसी तरह, लंबे प्रोब परीक्षणों के दौरान, सेंसरों में वहां हल्के गोलाकार निशान बन गए जहां प्रोब ने दबाव डाला था, लेकिन इन निशानों ने सूक्ष्म विवरणों को कैप्चer करने की सेंसर की क्षमता में बाधा नहीं डाली। विफलता का यह धीमा, अनुमानित तरीका यह सुनिश्चित करता है कि एक रोबोट ऑपरेटर टूट-फूट को देख सके और सेंसर के पूरी तरह से काम बंद करने से पहले ही उसे बदलने का समय निर्धारित कर सके।

शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि प्रतिस्थापन प्रक्रिया उल्लेखनीय रूप से सरल है। क्योंकि सेंसिंग सतह एक स्व-निहित कार्ट्रिज है, इसलिए एक तकनीशियन केवल एक छोटे प्लास्टिक टूल का उपयोग करके सेकंडों में एक पुराने सेंसर को नए से बदल सकता है। रोबोट के हाथ को खोलने, बिजली के केबल को अलग करने या कैमरे को पुनः संरेखित करने की कोई आवश्यकता नहीं है। रखरखाव की यह सुगमता, सेंसर की नई मजबूती के साथ मिलकर, यह सुझाव देती है कि विजन-आधारित स्पर्श संवेदना (tactile sensing) अंततः प्रयोगशाला से निकलकर वास्तविक दुनिया की रोबोटिक्स की अस्त-व्यस्त और अपघर्षक (abrasive) स्थितियों के लिए तैयार है। यह स्वीकार करके कि टूट-फूट अपरिहार्य है और एक ऐसी प्रणाली डिजाइन करके जो इसे शालीनता से संभाल सके, टीम ने रोबोटों को स्पर्श की भावना देने के लिए एक बड़े अवरोध को हटा दिया है जिसकी उन्हें मनुष्यों के साथ काम करने के लिए आवश्यकता होती है।