TacClip: a clip-on sensor measures dynamic contact forces without covering the fingerpads
TacClip एक न्यूनतम बाधा उत्पन्न करने वाला, वाटरप्रूफ पहनने योग्य सेंसर है जो प्राकृतिक स्पर्श संवेदनशीलता को बनाए रखने के लिए उंगलियों के पोरों को खुला रखते हुए, गतिशील संपर्क बलों और कंपन को मापने के लिए नाखूनों पर लगे फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग्स (Fiber Bragg Gratings) का उपयोग करता है।
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मानव हाथ असाधारण रूप से संवेदनशील उपकरण होते हैं, जो सैंडपेपर के खुरदरेपन और रेशम की कोमलता के बीच अंतर करने या कपड़ों में एक सीवन (seam) की सूक्ष्म उभार को महसूस करने में सक्षम होते हैं। यह संवेदनशीलता उंगलियों की नग्न त्वचा पर निर्भर करती है, जो दुनिया के साथ एक सीधा इंटरफेस के रूप में कार्य करती है। दशकों से, वैज्ञानिक और इंजीनियर रोबोट को मानव स्पर्श की नकल करना सिखाने का प्रयास कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि मशीनें लोगों को देखकर और महसूस करके जटिल कार्य सीख सकेंगी। हालाँकि, एक महत्वपूर्ण समस्या उभर कर आई है: मानव हाथ द्वारा अनुभव किए जाने वाले बल और कंपन को मापने के लिए, शोधकर्ताओं को पारंपरिक रूप से उंगलियों को सेंसर या दस्ताने से ढकना पड़ता था। ये आवरण एक बाधा की तरह काम करते हैं, जो उन संवेदनाओं को कम कर देते हैं जिन्हें वे रिकॉर्ड करने की कोशिश कर रहे होते हैं। यदि कोई व्यक्ति एक मोटे दस्ताने में बंद होने के कारण कपड़े की बनावट या किसी पारदर्शी वस्तु के किनारे को महसूस नहीं कर पाता है, तो रोबोट को दिया गया डेटा अधूरा होता है। चुनौती एक ऐसा उपकरण बनाने की थी जो स्पर्श को बाधित किए बिना स्पर्श के यांत्रिक डेटा को कैप्चर कर सके।
स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस दुविधा का समाधान निकाला है जिसे 'टैकक्लिप' (TacClip) कहा जाता है। उंगली के संवेदनशील हिस्से को ढकने के बजाय, यह एक छोटा, हटाने योग्य क्लिप है जो नाखून से जुड़ जाता है और उंगली के किनारे को लपेट लेता है। इसे प्राकृतिक हाथों की गतिविधियों के दौरान पहनने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिससे त्वचा पूरी तरह से खुली रहती है ताकि उपयोगकर्ता बनावट, तापमान और घर्षण के प्रति पूर्ण संवेदनशीलता बनाए रख सके। यह उपकरण इस आधार पर काम करता है कि जब उंगली किसी वस्तु पर दबाव डालती है, तो उंगली के नरम ऊतक (soft tissue) कैसे विकृत होते हैं। जैसे ही उंगली दबाई जाती है, त्वचा थोड़ा फूल जाती है, जो बदले में प्लास्टिक क्लिप को मोड़ देती है। क्लिप के भीतर, एक ऑप्टिकल फाइबर का एक छोटा सा धागा होता है जिसमें एक विशेष पैटर्न होता है जो खिंचने या दबने पर अपने गुणों को बदल देता है। यह परिवर्तन सिस्टम को क्लिप के भौतिक मुड़ने को एक डिजिटल सिग्नल में बदलने की अनुमति देता है, जिससे प्रभावी रूप से स्पर्श के बल और सतह पर फिसलते समय होने वाले कंपन को रिकॉर्ड किया जा सके।
शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए उपकरण का परीक्षण किया कि यह दबाव की ताकत को कितनी अच्छी तरह माप सकता है और गति के सूक्ष्म कंपनों का पता लगा सकता है। उन प्रयोगों में जहाँ उपयोगकर्ताओं ने उपकरण को बल सेंसर (force sensor) के विरुद्ध दबाया, टैकक्लिप ने उच्च सटीकता के साथ लगाए गए बल का अनुमान लगाया, जो आमतौर पर आठ न्यूटन तक की सीमा में वास्तविक मान से आधा न्यूटन से भी कम का अंतर रखता था। उपकरण सतह पर उंगली फिसलने पर होने वाले तीव्र, उच्च-आवृत्ति वाले कंपनों को पकड़ने में भी सक्षम सिद्ध हुआ। उदाहरण के लिए, जब एक उपयोगकर्ता ने कॉरडरॉय (corduroy) कपड़े पर अपनी उंगली स्लाइड की, तो सेंसर कपड़े के दाने (grain) के साथ चलने और उसके विपरीत चलने के बीच अंतर कर सका, जिससे सामग्री के उभारों के अनुरूप कंपन के विशिष्ट पैटर्न को पकड़ा जा सका। दिशा और बनावट को महसूस करने की यह क्षमता कपड़ों को मोड़ने या नाजुक सामग्रियों को संभालने जैसे कार्यों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जहाँ केवल दृष्टि अकेले पर्याप्त जानकारी प्रदान करने में विफल रहती है।
साधारण बनावट से परे, इस उपकरण ने उन स्थितियों में अपनी उपयोगिता प्रदर्शित की जहाँ दृष्टि अविश्वसनीय होती है। एक परीक्षण में, उपयोगकर्ताओं को एक घूमने वाले टर्नटेबल पर घूमते हुए पारदर्शी पैकिंग टेप के रोल के किनारे को खोजने के लिए कहा गया था। क्योंकि टेप पारदर्शी है, कई बैकग्राउंड के मुकाबले इसके किनारे को देखना लगभग असंभव है। हालाँकि, टैकक्लिप ने कंपन और बल प्रोफाइल में अचानक आए बदलाव को महसूस करके किनारे को पार करने के क्षण का पता लगा लिया। सिस्टम उच्च सटीकता के साथ किनारे के स्थान को सटीक रूप से निर्धारित कर सका, और जैसे-जैसे उपयोगकर्ता थोड़ा अधिक जोर से दबाता गया, सटीकता बढ़ती गई, जिससे सिग्नल की स्पष्टता बढ़ गई। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि यह उपकरण पानी के नीचे भी काम करता है। चूंकि यह बिजली के बजाय फाइबर के माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश का उपयोग करता है, इसलिए यह सेंसर पानी के प्रति प्रतिरोधी है और हाथ के डूबे होने पर भी स्पर्श संबंधी डेटा रिकॉर्ड कर सकता है, जो गीले वातावरण में मनुष्यों की वस्तुओं के साथ बातचीत का अध्ययन करने की संभावनाओं को खोलता है।
यह उपकरण केवल बल मापने तक ही सीमित नहीं है; यह हाथ की गति को ट्रैक करने के लिए एक बड़े सिस्टम का हिस्सा भी हो सकता है। क्लिप में उपयोग किया जाने वाला वही ऑप्टिकल फाइबर हाथ के पिछले हिस्से से एक रिस्टबैंड (wristband) तक बढ़ाया जा सकता है। उंगलियों के मुड़ने पर फाइबर के मुड़ने को मापकर, यह सिस्टम हाथ की स्थिति का अनुमान लगा सकता है, भले ही उंगलियां दृष्टि से ओझल हों, जैसे कि किसी वस्तु को पकड़ते समय। एक कैमरे के साथ संयोजन करने पर, यह हाइब्रिड दृष्टिकोण हाथ की गति की अधिक पूर्ण तस्वीर प्रदान करता है जो केवल कैमरे द्वारा संभव नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस संयोजन ने हाथ के आकार की सटीक ट्रैकिंग बनाए रखने में मदद की, भले ही उंगलियां कैमरे की दृष्टि से आंशिक रूप से बाधित हों।
टैकक्लिप स्पर्श संबंधी डेटा एकत्र करने के तरीके में एक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है, जो त्वचा को ढकने की सुविधा के बजाय प्राकृतिक मानवीय संवेदना को संरक्षित करने को प्राथमिकता देता है। यह एक छोटा, हल्का उपकरण है जिसे निर्माण के लिए प्रति उंगली लगभग $20 की लागत आती है (फाइबर संकेतों को पढ़ने के लिए आवश्यक महंगे उपकरणों को छोड़कर)। हालांकि यह उपकरण अभी तक कैमरों या पूरे हाथ के दस्ताने की आवश्यकता को पूरी तरह से प्रतिस्थापित नहीं करता है, लेकिन यह एक खाली उंगली के बल और कंपन के स्पष्ट दृश्य को प्रदान करके एक विशिष्ट अंतर को भरता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह दृष्टिकोण रोबोटों को मानवीय प्रदर्शनों से अधिक प्रभावी ढंग से सीखने में मदद कर सकता है, विशेष रूप से उन कार्यों के लिए जिनमें सूक्ष्म स्पर्श या उन बारीक विवरणों को महसूस करने की आवश्यकता होती है जिन्हें कैमरे नहीं देख सकते। उंगली के पोर (fingertip) को मुक्त रखकर, यह उपकरण यह सुनिश्चित करता है कि मानव प्रदर्शनकर्ता वास्तव में वही महसूस करे जो वह वास्तविक दुनिया में करता है, जिससे उनके द्वारा प्रदान किया गया डेटा अधिक प्रामाणिक और उपयोगी बनता है, जो अगली पीढ़ी के रोबोटिक हाथों को प्रशिक्षित करने के लिए अत्यंत आवश्यक है।
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