Pneumatic neurons for soft robots enable inflate-and-fire networks for rhythmic motion

प्राकृतिक दुनिया में, गति अक्सर शरीर और पर्यावरण के बीच एक संवाद की तरह महसूस होती है। मिट्टी में रेंगता हुआ एक केंचुआ या पत्ती पर चलता हुआ एक कीट हर आदेश जारी करने के लिए एक एकल, केंद्रीय मस्तिष्क पर निर्भर नहीं होता है। इसके बजाय, ये जीव अपने शरीर के साथ चलने वाले तंत्रिकाओं के वितरित नेटवर्क का उपयोग करते हैं, जिससे शरीर के विभिन्न हिस्से स्थानीय स्थितियों के प्रति प्रतिक्रिया कर पाते हैं और फिर भी एक समन्वित लय में चलते हैं। यह जैविक रणनीति, जिसे 'सेंट्रल पैटर्न जनरेटर' के रूप में जाना जाता है, लचीलापन और अनुकूलन क्षमता प्रदान करती है; यदि प्रणाली के एक हिस्से में व्यवधान आता है, तो बाकी हिस्सा बिना किसी ऊपर-से-नीचे (top-down) आदेश के तालमेल बिठा सकता है। सॉफ्ट रोबोटिक्स, एक ऐसा क्षेत्र जो कठोर धातु और प्लास्टिक के बजाय लचीली, अनुकूल सामग्री से मशीनें बनाने के लिए समर्पित है, लंबे समय से इस प्रकार की विकेंद्रीकृत बुद्धिमत्ता की नकल करने का प्रयास कर रहा है। हालाँकि, आज के अधिकांश सॉफ्ट रोबोट अभी भी भारी बाहरी पंपों और जटिल इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रकों पर निर्भर हैं जो उन्हें बताते हैं कि कब हिलना है, जो दूरस्थ या नाजुक वातावरण में स्वतंत्र रूप से काम करने की उनकी क्षमता को सीमित करता है।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के शोधकर्ताओं ने उसी सिद्धांत का उपयोग करके एक सॉफ्ट रोबोट बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो प्रकृति में पाए जाते हैं, लेकिन इसमें कोई डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स नहीं है। उन्होंने एक नए प्रकार का सॉफ्ट मॉड्यूल विकसित किया है जिसे वे "न्यूमैटिक न्यूरॉन" कहते हैं, जो एक आत्मनिर्भर इकाई के रूप में कार्य करता है जो एक साथ महसूस करने, सोचने और कार्य करने में सक्षम है। इन मॉड्यूल्स को एक वलय (ring) में जोड़कर, टीम ने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो अपनी स्वयं की लयबद्ध गति उत्पन्न करती है, बिल्कुल एक केंचुए के तंत्रिका तंत्र की तरह। रोबोट गर्मी और दबाव के भौतिकी द्वारा संचालित होकर, एक यात्रा तरंग (traveling wave) के रूप में अपने खंडों को फुलाकर और पिचकाकर चलता है, जो पूरी तरह से एक कंप्यूटर प्रोग्राम के बजाय भौतिकी पर आधारित है। यह दृष्टिकोण रोबोट को तापमान या भौतिक भार में बदलाव के प्रति अपनी गति को अनुकूलित करने की अनुमति देता है, जिससे वह अपने परिवेश के प्रति प्रतिक्रिया करता है, जो उन मशीनों की ओर एक नया मार्ग खोलता है जो उनके द्वारा अनुकरण किए गए जीवित जीवों की तरह ही मजबूत और स्वायत्त हैं।

इस आविष्कार का मूल एक छोटा, नरम पाउच है जो एक विशेष तरल पदार्थ से भरा है जो बहुत कम तापमान पर उबलता है। प्रत्येक पाउच के अंदर एक छोटा हीटर और लचीले प्लास्टिक से बना एक मैकेनिकल स्विच होता है। जब हीटर में बिजली प्रवाहित होती है, तो पाउच के अंदर का तरल गैस में बदल जाता है, जिससे पाउच फैलता है। यह विस्तार केवल एक गति नहीं है; यह एक संकेत भी है। जैसे ही पाउच फूलता है, यह आंतरिक मैकेनिकल स्विच पर दबाव डालता है। स्विच को दो विशिष्ट थ्रेशोल्ड (सीमाओं) के साथ डिज़ाइन किया गया है: एक निचला बिंदु जहाँ यह पिछले मॉड्यूल को बिजली काट देता है, और एक उच्च बिंदु जहाँ यह अगली पंक्ति के अगले मॉड्यूल को बिजली भेजता है। यह एक चक्र बनाता है जिसे शोधकर्ता "इन्फ्लेट-एंड-फायर" (फुलाओ-और-चलाओ) कहते हैं। मॉड्यूल फूलता है, अपने पड़ोसी को सक्रिय करता है, और फिर ठंडा हो जाता है, जिससे गैस वापस तरल में बदल जाती है ताकि चक्र फिर से शुरू हो सके। क्योंकि तरल इतने कम तापमान पर उबलता है, इसलिए प्रणाली बहुत कम ऊर्जा के साथ काम कर सकती है, और क्योंकि स्विच मैकेनिकल है, इसके लिए किसी माइक्रोचिप या सॉफ्टवेयर की आवश्यकता नहीं होती है।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या ये व्यक्तिगत मॉड्यूल मिलकर जटिल गति पैदा कर सकते हैं, शोधकर्ताओं ने उन्हें एक वलय (ring) में जोड़ा। उन्होंने पाया कि प्रणाली को गति की एक स्थिर, दोहराव वाली तरंग उत्पन्न करने के लिए, मॉड्यूल्स को तीन विशिष्ट क्रियाएं करनी पड़ती हैं: उन्हें अगले मॉड्यूल को उत्तेजित करना था, पिछले को रोकना (inhibit) था, और अगले मॉड्यूल के नियंत्रण लेने तक अपनी स्थिति बनाए रखनी थी। इन तीनों व्यवहारों के बिना, प्रणाली या तो एक ही फूली हुई अवस्था में फंस जाएगी या संकेत वलय के चारों ओर यात्रा करने से पहले ही समाप्त हो जाएगा। जब टीम ने केवल तीन मॉड्यूल्स का एक वलय बनाया, तो इसने सफलतापूर्वक एक निरंतर यात्रा तरंग उत्पन्न की। किसी भी क्षण में, तीन में से दो मॉड्यूल सक्रिय और गर्म थे, जो संकेत को एक निर्बाक लूप में आगे बढ़ा रहे थे। इस "टू-हॉट" (दो-गर्म) अवस्था ने रोबोट को तब तक अपनी लय बनाए रखने की अनुमति दी जब तक कि उसके पास बिजली का स्रोत था, जिससे यह सिद्ध हुआ कि नेटवर्क बिना किसी केंद्रीय मस्तिष्क के स्वयं को व्यवस्थित कर सकता है।

इस प्रणाली की वास्तविक शक्ति भौतिक दुनिया के प्रति अनुकूल होने की इसकी क्षमता में निहित है। शोधकर्ताओं ने रोबोट पर विशिष्ट मॉड्यूल्स पर वजन जोड़कर और वातावरण के तापमान को बदलकर इसका परीक्षण किया। जब उन्होंने रोबोट पर भारी वजन रखा, तो अतिरिक्त दबाव ने मैकेनिकल स्विच को जल्दी ट्रिगर कर दिया, लेकिन वजन ने मॉड्यूल्स को पिचकने में भी कठिनाई पैदा की। इसने तरंग के समय को बदल दिया, जिससे रोबोट धीमा हो गया, लेकिन इसने इसे रोका नहीं। रोबोट ने बस नए भार के अनुरूप अपनी गति को समायोजित कर लिया। इसी तरह, जब उन्होंने फ्रीजर में रोबोट को ठंडा किया, तो लहर धीमी हो गई और अंततः रुक गई क्योंकि तरल पर्याप्त तेजी से नहीं उबल सका। जब उन्होंने हॉट प्लेट पर इसे गर्म किया, तो मॉड्यूल्स स्वतः ही फूल गए, और प्रणाली एक अलग अवस्था में प्रवेश कर गई जहाँ इसने दोलन करना बंद कर दिया और एक स्थिर आकार बनाए रखा। इन प्रयोगों ने दिखाया कि रोबोट का व्यवहार किसी पूर्व-लिखित कोड द्वारा निर्धारित नहीं है, बल्कि यह रोबोट के भौतिक गुणों और उसके परिवेश के बीच की अंतःक्रिया से उत्पन्न होता है।

शायद इस प्रणाली की लचीलेपन का सबसे उल्लेखनीय प्रदर्शन तब आया जब शोधकर्ताओं ने वलय को भौतिक रूप से बीच से काट दिया। एक पारंपरिक रोबोट में, नियंत्रण रेखा को काटने से पूरी मशीन विफल हो जाएगी। यहाँ, जब टीम ने छह-मॉड्यूल वाले वलय को दो अलग-अलग तीन-मॉड्यूल वाले ववलों में काट दिया, तो दोनों हिस्से तुरंत अपने आप दोलन करने लगे। एक आधे हिस्से ने अपनी तरंग जारी रखी, और दूसरे आधे हिस्से ने, एक संक्षिप्त मैनुअल रीस्टार्ट के बाद, अपनी लय भी पा ली। प्रणाली को पुन: प्रोग्राम करने या पुन: वायरिंग करने की आवश्यकता नहीं थी; कनेक्शन को काटने के सरल कार्य ने दो नए वलयों को अपने स्वतंत्र पैटर्न बनाने की अनुमति दी। यह सुझाव देता है कि इन न्यूमैटिक न्यूरॉन्स का उपयोग ऐसे रोबोट बनाने के लिए किया जा सकता है जो क्षति से बच सकें, जो फटने पर छोटे, कार्यात्मक इकाइयों में विभाजित हो सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे कुछ जानवर अपने खोए हुए अंगों को पुनर्जीवित कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए मॉड्यूल्स के साथ छोटे, एल-आकार के पैर भी लगाए कि क्या रोबोट वास्तव में सतह पर चल सकता है। जैसे ही मॉड्यूल्स एक यात्रा तरंग में फूलते और पिचकते थे, पैर फूले होने पर जमीन को पकड़ लेते और पिचकने पर फिसल जाते, जिससे एक केंचुए जैसी रेंगने वाली गति उत्पन्न होती। रोबोट छह चक्रों में लगभग 25 मिलीमीटर आगे बढ़ा, जिसकी गति इस बात पर निर्भर थी कि तरल कितनी तेजी से उबलता और ठंडा होता है। हालांकि यह एक यांत्रिक रोबोट की तुलना में धीमा है, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि गति चुनी गई सामग्रियों का गुण है, न कि आर्किटेक्चर का। तरल या हीटर को बदलकर, मौलिक तर्क को बदले बिना समय को समायोजित किया जा सकता है। बिना किसी बाहरी पंप या इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रक के लोकोमोशन (गति) उत्पन्न करने की यह क्षमता उन स्थानों पर काम करने वाले रोबोटों के लिए संभावनाएं खोलती है जहाँ भारी उपकरण ले जाना असंभव है, जैसे कि गहरा भूमिगत क्षेत्र या अंतरिक्ष।

यह कार्य सॉफ्ट रोबोट्स के डिजाइन के तरीके में एक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है, जो एक ऐसी मशीन के विचार से दूर जा रहा है जिसे एक अलग कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित किया जाता है, बल्कि एक ऐसी मशीन की ओर बढ़ रहा है जहाँ शरीर ही कंप्यूटर है। सामग्री और एक्चुएटर की भौतिकी में गति के तर्क को समाहित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई है जो स्वाभाविक रूप से मॉड्यूलर और मजबूत है। रोबोट को यह "जानने" की आवश्यकता नहीं है कि वह कहाँ है या उसका परिवेश कैसा है; यह बस गर्मी, दबाव और कनेक्शन के प्रति प्रतिक्रिया करता है। हालांकि अभी भी कई चुनौतियों को पार करना बाकी है, जैसे कि अधिक तेज़ गति के लिए उच्च तापमान सहने वाली सामग्रियां खोजना, न्यूमैटिक न्यूरॉन अनुकूलन योग्य रोबोटिक्स के लिए एक नया ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह एक ऐसे भविष्य का सुझाव देता है जहाँ मशीनें उतनी ही लचीली और आत्मनिर्भर हो सकती हैं जितनी कि वे जीवित जीव जिन्हें उन्होंने प्रेरित किया है, जो सूजन (inflation) और अग्नि (fire) की सरल, सुंदर भौतिकी के माध्यम से जटिल दुनिया में नेविगेट करने में सक्षम हैं।