A Predictive Design Framework for a Soft Robotic Ventricle using Contractile Actuators

मानव हृदय समय के तालमेल का एक उस्ताद है, एक पेशीय पंप जो केवल सिकुड़ता और फैलता नहीं है, बल्कि शरीर में रक्त प्रवाहित करने के लिए एक सटीक चार-चरणीय लय का पालन करता है। इस चक्र में ऐसे क्षण भी शामिल हैं जहाँ हृदय की मांसपेशी बिना अपना आकार बदले कसती है, जिससे वाल्व खुलने से पहले अत्यधिक दबाव बनता है, और ऐसे क्षण भी जहाँ यह बिना तुरंत भरे शिथिल हो जाती है, जिससे अगली धड़कन से पहले दबाव कम होने की अनुमति मिलती है। दशकों तक, कृत्रिम हृदय बनाने या नए चिकित्सा उपकरणों का परीक्षण करने की कोशिश कर रहे इंजीनियर इस विशिष्ट व्यवहार की नकल करने के लिए संघर्ष करते रहे। पारंपरिक मॉडल अक्सर हृदय को एक साधारण पंप के रूप में देखते हैं जो या तो तरल पदार्थ बाहर धकेलता है या भर जाता है, जिससे उन महत्वपूर्ण क्षणों की अनदेखी हो जाती है जहाँ आयतन (volume) समान रहने के दौरान दबाव बदलता है। एक ऐसा तरीका न होने के कारण कि एक नरम, कृत्रिम मांसपेशी इन सटीक क्षणों के दौरान कैसा व्यवहार करेगी, एक ऐसी मशीन डिजाइन करना जो वास्तव में हृदय की तरह कार्य करे, काफी हद तक अनुमान और बार-बार परीक्षण और त्रुटि (trial and error) पर निर्भर रहा है।

इलिनोइस और लोमा लिंडा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन सॉफ्ट रोबोटिक हृयों को डिजाइन करने का एक नया तरीका विकसित किया है, जो अनुमान लगाने के बजाय एक सटीक, भविष्य कहनेवाला ब्लूप्रिंट की ओर बढ़ रहा है। उन्होंने एक गणितीय ढांचा बनाया है जो नरम कृत्रिम मांसपेशियों के भौतिक गुणों को सीधे पंपिंग चैंबर के भीतर दबाव और आयतन परिवर्तनों से जोड़ता है। एक प्रोटोटाइप बनाने, उसका परीक्षण करने, उसे विफल होते देखने और फिर से प्रयास करने के बजाय, उनकी विधि उन्हें यह गणना करने की अनुमति देती है कि एक विशिष्ट प्रकार की नरम मांसपेशी वास्तव में बनने से पहले कैसा प्रदर्शन करेगी। इन मांसपेशियों का सख्त, नियंत्रित परिस्थितियों में परीक्षण करके और उस डेटा को अपने नए मॉडल में फीड करके, शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक भविष्यवाणी की कि एक सिम्युलेटेड परिसंचरण प्रणाली (circulatory system) में एक सॉफ्ट रोबोटिक वेंट्रिकलल (ventricle) कैसा व्यवहार करेगा। उनका कार्य सिद्ध करता है कि यह एक सॉफ्ट रोबोटिक हृदय डिजाइन करना संभव है जो मानव हृदय की जटिल, प्राकृतिक लय की नकल कर सके, जिसमें दबाव बढ़ने वाले कठिन चरण भी शामिल हैं जहाँ चैंबर का आकार नहीं बदलता।

हृदय का प्राकृतिक चक्र चार अलग-अलग चरणों में विभाजित होता है, जो चार वाल्वों के खुलने और बंद होने द्वारा नियंत्रित होता है। यह एक चरण से शुरू होता है जहाँ हृदय की मांसपेशी सिकुड़ती है जबकि सभी वाल्व बंद होते हैं, जिससे रक्त की मात्रा में बिना किसी परिवर्तन के दबाव तेजी से बढ़ता है। एक बार जब दबाव पर्याप्त हो जाता है, तो आउटलेट वाल्व खुल जाता है, और रक्त बाहर निकलता है। चक्र फिर से उल्टा होता है: मांसपेशी शिथिल होती है जबकि वाल्व बंद रहते हैं, जिससे चैंबर के फिर से भरने से पहले दबाव तेजी से गिर जाता है। यह अनुक्रम महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुनिश्चित करता है कि रक्त सही दिशा में और सही बल के साथ प्रवाहित हो। प्रकृति में, यह हृदय की मांसपेशी द्वारा प्राप्त किया जाता है, जो अपनी लंबाई स्थिर रखते हुए बल उत्पन्न कर सकती है। कृत्रिम हृदय, हालांकि, इसकी नकल करने में ऐतिहासिक रूप से संघर्ष करते रहे हैं। अधिकांश मौजूदा उपकरणों में कठोर भाग या सरल पंप होते हैं जो इन विशिष्ट चरणों के लिए आवश्यक सूक्ष्म बल और आयतन के संतुलन को आसानी से नहीं दोहरा सकते।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक प्रकार की सॉफ्ट कृत्रिम मांसपेशी पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'ट्विस्टेड एंड कॉइल्ड पॉलीमर एक्ट्यूएटर' कहा जाता है। ये अनिवार्य रूप से प्लास्टिक फाइबर हैं जिन्हें कसकर कुंडलित (coils) किया गया है जो गर्म होने पर सिकुड़ते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक मांसपेशी संकेत मिलने पर छोटी होती है। चुनौती यह रही है कि ये सामग्रियां जटिल हैं; उनकी बल उत्पन्न करने की क्षमता इस बात पर निर्भर करती है कि उन्हें कितना खींचा गया है और वे कितनी गर्म हैं। पिछले प्रयासों में अक्सर उन्हें एक निरंतर भार (load) के तहत कितनी दूर तक जा सकते हैं, इसका मापन किया गया था, जो उन महत्वपूर्ण क्षणों को छोड़ देता है जब भार स्थिर होता है और दबाव बनता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि एक सच्चा कृत्रिम हृदय बनाने के लिए, उन्हें यह समझने की आवश्यकता है कि ये मांसपेशियां तब कैसे व्यवहार करती हैं जब उन्हें बिल्कुल भी हिलने की अनुमति नहीं दी जाती है, जिसे 'आइसोमेट्रिक टेस्टिंग' (isometric testing) कहा जाता है। एक निश्चित लंबाई बनाए रखते हुए ये मांसपेशियां जो बल उत्पन्न करती हैं, उसे मापकर, वे उस सटीक डेटा को कैप्चर कर सके जिसकी आवश्यकता एक हृदय पंप के भीतर मांसपेशी के प्रदर्शन की भविष्यवाणी करने के लिए थी।

टीम ने एक नया डिजाइन ढांचा बनाया है जो इन मांसपेशियों के व्यवहार को तरल प्रवाह के भौतिकी से जोड़ता है। उन्होंने पहले परिसंचरण प्रणाली का एक सरलीकृत, रिड्यूस्ड-ऑर्डर मॉडल बनाया, जो एक मानचित्र की तरह कार्य करता है कि दबाव और प्रवाह कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। इस मॉडल में, उन्होंने नरम मांसपेशियों के विशिष्ट बल-उत्पन्न गुणों को तरल प्रणाली के प्रतिरोध और लोच (elasticity) से जोड़ा। पुराने मॉडलों के विपरीत, जिन्हें इंजीनियरों को एक दूसरे के प्राप्त करने के लिए या तो दबाव मान या आयतन मान दर्ज करना पड़ता था, यह नया ढांचा दोनों की एक साथ भविष्यवाणी करता है। यह मांसपेशियों के मापे गए गुणों को शुरुआती बिंदु के रूप में उपयोग करके ऐसा करता है। यदि मांसपेशी मजबूत है और सिस्टम सख्त है, तो मॉडल सटीक रूप से गणना करता है कि दबाव क्या होगा और कितना तरल गति करेगा, बिना किसी अनुमान की आवश्यकता के।

अपने विचार को सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले एक मानक इलेक्ट्रोमैकेनिकल मोटर और उससे जुड़े एक स्प्रिंग का उपयोग करके अपने ढांचे का परीक्षण किया, जो एक सॉफ्ट मांसपेशी के लिए एक अनुमानित विकल्प के रूप में कार्य करता था। उन्होंने इसे रक्त की मोटाई की नकल करने वाले तरल से भरे एक मॉक सर्कुलेटरी लूप में रखा। उन्होंने व्यवस्थित रूप से तीन प्रमुख स्थितियों को बदला जो हृदय के कार्य को प्रभावित करती हैं: संकुचन से पहले चैंबर में पहले से मौजूद रक्त की मात्रा, वह प्रतिरोध जिसका सामना रक्त बाहर निकलते समय करता है, और मांसपेशी की ताकत। प्रत्येक मामले में, उनके मॉडल ने प्रयोग में देखे गए दबाव और आयतन परिवर्तनों की सटीक भविष्यवाणी की। मॉडल ने फ्रैंक-स्टारलिंग नियम (Frank-Starling law) नामक एक मौलिक जैविक नियम को सफलतापूर्वक दोहराया, जो कहता है कि एक हृदय चैंबर जो सिकुड़ने से पहले अधिक भरा जाता है, वह अधिक मात्रा में रक्त बाहर निकालता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जैसे-जैसे उन्होंने प्रारंभिक आयतन बढ़ाया, पंप ने अधिक तरल बाहर निकाला और उच्च दबाव तक पहुँचा, ठीक वैसे ही जैसे एक वास्तविक हृदय करता है।

इन परिणामों से उत्साहित होकर, टीम ने कठोर मोटर को ट्विस्टेड एंड कॉल्डेड पॉलिमर से बनी वास्तविक सॉफ्ट कृत्रिम मांसपेशियों से बदल दिया। उन्होंने यह देखने के लिए कि डिजाइन प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करता है, विभिन्न फाइबर मोटाई और कॉइल संरचनाओं का उपयोग करके इन मांसपेशियों को तैयार किया। उन्होंने इसे उसी मॉक सर्कुलेटरी लूप में परीक्षण किया, फिर से प्रतिरोध और काम करने वाली मांसपेशियों की संख्या को बदला। परिणाम आश्चर्यजनक थे। भविष्य कहने वाला मॉडल, जिसे मांसपेशियों के आइसोमेट्रिक परीक्षणों से प्राप्त डेटा दिया गया था, ने पूरी तरह से सॉफ्ट रोबोटिक पंप के व्यवहार की सटीक भविष्यवाणी की। इसने सही ढंग से भविष्यवाणी की कि जब प्रतिरोध बढ़ाने के लिए आउटलेट वाल्व को कसा गया, तो सिस्टम कैसे प्रतिक्रिया करेगा, जिससे दबाव बढ़ गया और बाहर निकलने वाले तरल की मात्रा कम हो गई। इसने यह भी सही ढंग से भविष्यवाणी की कि अधिक मांसपेशियां जोड़ने से संकुचन की शक्ति कैसे बढ़ जाती है, और कैसे इलेक्ट्रिकल ऊर्जा इनपुट को बदलने से प्रदर्शन बदल जाता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि उनकी सफलता की कुंजी उन दो प्रकार के बलों को समझना था जो मांसपेशियां उत्पन्न करती हैं: एक निष्क्रिय बल (passive force) जो केवल इसलिए मौजूद होता है क्योंकि सामग्री खिंची हुई है, और एक सक्रिय बल (active force) जो सामग्री के गर्म होने पर उत्पन्न होता है। स्थिर स्ट्रेन (constant strain) के तहत इन बलों को अलग-अलग मापकर, वे मांसपेशी का एक सटीक गणितीय विवरण बना सके। इस विवरण ने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि मांसपेशी उन महत्वपूर्ण चरणों के दौरान तरल प्रणाली के साथ कैसे इंटरैक्ट करेगी जहाँ आयतन नहीं बदलता है। वास्तविक हृदय में, ये वे चरण हैं जब बंद वाल्वों के विरुद्ध दबाव बनता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका सॉफ्ट रोबोटिक सिस्टम भी ऐसा ही कर सकता है, यानी आयतन में बदलाव के बिना दबाव में तेजी से वृद्धि कर सकता है, जो एक ऐसी उपलब्धि है जिसे कई पिछले सॉफ्ट रोबोटिक डिजाइन हासिल नहीं कर सके।

यह कार्य इस बात का संकेत है कि सॉफ्ट रोबोटिक हृयों को कैसे डिजाइन किया जाता है, इसमें एक बड़ा बदलाव आया है। वर्षों से, यह क्षेत्र 'ट्रायल-एंड-एरर' दृष्टिकोण पर निर्भर रहा है, जहाँ इंजीनियर एक प्रोटोटाइप बनाते हैं, उसका परीक्षण करते हैं, और फिर रबर की मोटाई या पंप के समय को मैन्युअल रूप से समायोजित करते हैं जब तक कि वह काम न करने लगे। यह नया ढांचा उस अनिश्चितता को समाप्त करता है। यह इंजीनियरों को सामग्री के गुणों और हृदय के वांछित प्रदर्शन से शुरू करने और फिर सटीक रूप से यह गणना करने की अनुमति देता है कि सिस्टम कैसा दिखना चाहिए। मॉडल केवल यह वर्णन नहीं है कि क्या हुआ; यह एक उपकरण है जो यह भविष्यवाणी कर सकता है कि क्या होगा, इससे पहले कि उपकरण बनाया जाए। यह विशेष रूप से हृदय विफलता (heart failure) वाले रोगियों की सहायता के लिए उपकरण विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ पंप को किसी विशिष्ट व्यक्ति की जरूरतों के अनुसार ढालने की क्षमता अत्यंत महत्वपूर्ण है।

शोधकर्ताओं ने अपने वर्तमान कार्य की सीमाओं को भी रेखांकित किया। उनका मॉडल यह मानता है कि सिस्टम इतनी धीमी गति से चलता है कि तरल का वजन और गति के कारण कोई महत्वपूर्ण अतिरिक्त बल पैदा नहीं होता है, एक धारणा जो उनके द्वारा परीक्षण किए गए धीमे, स्थिर धड़कनों के लिए सही है। उन्होंने यह भी नोट किया कि उनका सेटअप ट्यूबों और वाल्वों का एक सरलीकृत नेटवर्क उपयोग करता है, जबकि एक वास्तविक मानव शरीर में बहुत अधिक जटिल और लचीला परिसंचरण तंत्र होता है। हालांकि, मुख्य उपलब्धि बरकरार है: उन्होंने एक सॉफ्ट मांसपेशी के सूक्ष्म व्यवहार को एक हृदय पंप के स्थूल (macroscopic) प्रदर्शन में अनुवादित करने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदर्शित किया है। सॉफ्ट एक्टुएटर्स के सामग्री विज्ञान और रक्त प्रवाह के फ्लूइड डायनेमिक्स के बीच के अंतर को पाटकर, उन्होंने अगली पीढ़ी के बायो-इंस्पायर्ड मेडिकल उपकरणों को बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है।

इस शोध के निहितार्थ केवल बेहतर कृत्रिम हृदय बनाने तक ही सीमित नहीं हैं। यह ढांचा किसी भी ऐसे सॉफ्ट रोबोटिक सिस्टम को व्यवस्थित रूप से डिजाइन करने का एक तरीका प्रदान करता है जिसे तरल पदार्थों के साथ बातचीत करने की आवश्यकता होती है, जैसे कि कृत्रिम किडनी या औद्योगिक उपयोग के लिए सॉफ्ट पंप। यह भविष्यवाणी करने की क्षमता कि एक नरम सामग्री भार के तहत कैसा व्यवहार करेगी, विशेष रूप से जब उस भार में आयतन परिवर्तन के बिना दबाव परिवर्तन शामिल हो, एक शक्तिशाली उपकरण है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि मांसपेशी के बुनियादी गुणों को सावधानीपूर्वक मापकर और उन्हें एक भौतिकी-आधारित मॉडल में एकीकृत करके, वे अनंत प्रोटोटाइपिंग की आवश्यकता को समाप्त कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण जटिल जैविक मशीनों के डिजाइन को सहज ज्ञान की कला से गणना के विज्ञान में बदल देता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सॉफ्ट रोबोट की अगली पीढ़ी उतनी ही विश्वसनीय और प्रभावी होगी जितनी कि वे प्राकृतिक प्रणालियाँ जिनका वे अनुकरण करने का प्रयास कर रहे हैं।