Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

प्रकृति ने लंबे समय से एक दुनिया से दूसरी दुनिया में जाने की कला में महारत हासिल कर ली है। मछलियाँ केवल तैरती नहीं हैं; वे छलांग लगाती हैं। किसी शिकारी से बचने के लिए, झरने को पार करने के लिए, या हवा से शिकार झपटने के लिए, एक मछली को अपनी नाक ऊपर की ओर उठानी पड़ती है, शक्ति के अचानक विस्फोट के साथ तेजी लानी पड़ती है, और पानी की सतह को भेदने तक उस तीव्र कोण को बनाए रखना पड़ता है। इस पैंतरेबाज़ी के लिए बलों के एक नाजुक संतुलन की आवश्यकता होती है: एक क्षण में अत्यधिक थ्रस्ट (thrust) उत्पन्न करने की क्षमता, पानी से बाहर निकलते समय अपने कोण को नियंत्रित करने की सटीकता, और सतह की अराजक उथल-पुथल के विरुद्ध अपने पथ को सीधा रखने की स्थिरता। दशकों से, इंजीनियरों ने ऐसे अंडरवॉटर रोबोट बनाए हैं जो मछली की तरह प्रभावशाली गति से तैर सकते हैं या उसकी सुंदर लहरदार गति की नकल कर सकते हैं, लेकिन बहुत कम ही इस विशिष्ट कार्य को सफलतापूर्वक दोहरा पाए हैं जो पानी से बाहर निकलना है। अधिकांश अंडरवॉटर मशीनें पानी के भीतर रहने के लिए डिज़ाइन की गई हैं, और जो पानी से बाहर निकलने का प्रयास करती हैं, उनमें अक्सर इसे विश्वसनीय रूप से करने के लिए नियंत्रण की कमी होती है, जिससे वे संरेखण से भटक जाती हैं या पूरी तरह से सतह को पार करने में विफल रहती हैं।

कोलोराडो विश्वविद्यालय बोल्डर के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने वाला एक छोटा रोबोट बनाया है, जो एक ऐसी मशीन बनाने में सक्षम है जो मछली की तरह ही सहजता से पानी के नीचे तैर सकती है, हवा में छलांग लगा सकती है और वापस पानी में उतर सकती है। यह उपकरण हथेली के आकार का है, जिसकी लंबाई केवल 65 मिलीमीटर है और वजन मात्र 34 ग्राम है, फिर भी यह कार्यों का एक जटिल क्रम करता है जो छोटे अंडरवॉटर रोबोटों की सीमाओं को चुनौती देता है। दो प्रोपेलरों को लंबवत (vertically) एक के ऊपर एक रखकर और एक पूंछ वाले रडर (rudder) को जोड़कर, टीम ने एक ऐसा प्लेटफॉर्म बनाया है जो न केवल 13.9 बॉडी लेंथ प्रति सेकंड की गति से तैर सकता है, बल्कि एक सेकंड से भी कम समय में अपनी नाक को ऊर्ध्वाधर स्थिति में ऊपर उठा सकता है। जब यह लॉन्च होता है, तो यह 1.6 बॉडी लेंथ ऊंची बाधा को पार करता है और पानी में गिरने से पहले 3.7 बॉडी लेंथ क्षैतिज दूरी तय करता है। एक प्राकृतिक धारा में बहते पानी के बीच, रोबोट ने और भी ऊँची छलांग लगाई, जो सतह से 2.8 बॉडी लेंथ ऊपर तक पहुँच गई, जिससे यह सिद्ध हुआ कि इसका डिज़ाइन वास्तविक दुनिया की अव्यवस्थित और अप्रत्याशित स्थितियों में भी काम करता है।

इस रोबोट की सफलता का रहस्य इस बात में निहित है कि यह मछली के आकार की हूबहू नकल किए बिना उसके भौतिक विज्ञान (physics) की नकल कैसे करता है। अचानक गति के विस्फोट के लिए कठिन होने वाले 'फ्लैपिंग टेल' (फड़फड़ाती पूंछ) के बजाय, शोधकर्ताओं ने प्रोपेलर को चुना। उन्होंने एक वाटरप्रूफ, 3D-प्रिंटेड शरीर के अंदर एक के ऊपर एक दो छोटे, उच्च गति वाले मोटर लगाए। ऊपर वाले प्रोपेलर को नीचे वाले की तुलना में तेज़ घुमाकर, या इसके विपरीत, रोबोट अपनी नाक को बहुत सटीकता के साथ ऊपर या नीचे झुका सकता है। यह 'डिफरेंशियल थ्रस्ट' एक लीवर की तरह कार्य करता है, जिससे रोबोट तेजी से अपना कोण बदल सकता है। चलते समय रोबोट को बगल में घूमने से रोकने के लिए, उन्होंने दोनों प्रोपेलरों के बीच एक छोटा सा टेल रडर जोड़ा। यह रडर एक नाव के रडर की तरह काम करता है, जो रोबोट को बाएं या दाएं मोड़कर उसे सीधे पथ पर रखता है। इसका शरीर एक सुव्यवस्थित एयरफॉइल (airfoil) के आकार का है, जो विमानन (aviation) से लिया गया एक डिज़ाइन है जो पानी को इसकी सतह के ऊपर से सुचारू रूप से बहने देता है। कंप्यूटर सिमुलेशन ने दिखाया कि यह आकार समान आकार के साधारण बॉक्स की तुलना में ड्रैग (drag) को पांच गुना कम कर देता है, जिससे रोबोट तेजी से चल सकता है और कम ऊर्जा का उपयोग करता है।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले प्रयोगशाला के वॉटर टैंक में रोबोट का परीक्षण किया, जहाँ वे हाई-स्पीड कैमरों और सेंसरों के साथ इसकी हर हरकत को माप सकते थे। उन्होंने रोबोट को कमांड का एक क्रम पालन करने के लिए प्रोग्राम किया: सीधा तैरना, अपनी नाक को एक विशिष्ट कोण तक ऊपर उठाना, सतह की ओर तेजी लाना और फिर छलांग लगाना। रोबोट का ऑनबोर्ड कंप्यूटर निरंतर एक सेंसर का उपयोग करके इसकी दिशा की जांच करता है जो रोटेशन और गुरुत्वाकर्षण को मापता है, और रास्ते पर बने रहने के लिए दोनों प्रोपेलर की गति को प्रति सेकंड सैकड़ों बार समायोजित करता है। इन परीक्षणों में, रोबोट एक स्थिर पिच कोण बनाए रख सका, यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने व्यवधान पैदा करने के लिए इसे थपथपाया, तब भी इसने एक सेकंड के भीतर अपनी स्थिति को ठीक कर लिया। जब रोबोट कूदने के लिए तैयार होता था, तो वह अपनी नाक को 65 डिग्री तक ऊपर उठाता, गति बढ़ाता और पानी को चीरते हुए बाहर निकलता। रडर के बिना, रोबोट अक्सर पानी से बाहर निकलते समय बगल में मुड़ जाता, जिससे वह अपना दिशा खो देता। रडर के सक्रिय होने पर, वह पूरी तरह से संरेखित रहा और सीधा ऊपर और आगे की ओर बढ़ा।

इसके बाद टीम ने रोबोट को लैब से बाहर निकाला और बोल्डर क्रीक (Boulder Creek) में ले गई, जो बहते पानी और उथल-पुथल वाली एक प्राकृतिक धारा है। यहाँ चुनौती बहुत अधिक थी। बहते पानी ने रोबोट को रास्ते से भटकाने की कोशिश की, और सतह ऊबड़-खाबड़ थी। इन परिस्थितियों के बावजूद, रोबोट ने सफलतापूर्वक छलांग लगाई। वह धारा के विरुद्ध तैरा, ऊपर की ओर झुका और खुद को पानी से बाहर उछाल दिया, जिससे वह 2.8 बॉडी लेंथ की ऊंचाई तक पहुँच गया। जब इन बाहरी परीक्षणों के दौरान रडर को बंद कर दिया गया, तो रोबोट अपना पथ बनाए रखने में विफल रहा, वह अनियंत्रित रूप से इधर-उधर डगमगाया और अपने इच्छित लक्ष्य से दूर जा गिरा। इसने पुष्टि की कि रडर न केवल शांत टैंक में, बल्कि एक वास्तविक नदी के गतिशील वातावरण में भी स्थिरता के लिए आवश्यक था। रोबोट की पूरी प्रक्रिया को करने की क्षमता—तैरना, झुकना, कूदना और वापस आना—छोटे अंडरवॉटर मशीनों के लिए चपलता के एक नए स्तर को प्रदर्शित करती है।

यह कार्य सुझाव देता है कि छोटे रोबोट जल्द ही उन क्षेत्रों का निरीक्षण करने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं जो वर्तमान में उनके लिए दुर्गम हैं। कई अंडरवॉटर सिस्टम, जैसे पाइप, बांध और बाढ़ से प्रभावित संरचनाएं, ऐसी बाधाओं से घिरी होती हैं जैसे वीयर (weirs) या पूलों के बीच सूखे अंतराल, जो एक रोबोट को आगे बढ़ने से रोक देते हैं। एक ऐसी मशीन जो पानी के नीचे तैर सकती है और फिर इन बाधाओं के ऊपर से कूद सकती है, जटिल वातावरण में नेविगेट कर सकती है, बुनियादी ढांचे का निरीक्षण कर सकती है या उन स्थानों पर पानी की गुणवत्ता की निगरानी कर सकती है जहाँ पहले जाना असंभव था। शोधकर्ताओं का कहना है कि उनका वर्तमान प्रोटोटाइप अभी भी एक पतले केबल द्वारा बिजली के स्रोत से जुड़ा हुआ है, लेकिन उन्होंने जो सिद्धांत प्रदर्शित किए हैं, वे भविष्य के अनटेदर्ड (बिना तार वाले) संस्करणों के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं। बैटरी के आकार और प्रोपेलर के डिज़ाइन को बेहतर बनाकर, एक पूरी तरह से स्वायत्त संस्करण एक दिन एक पूल से दूसरे पूल में कूद सकता है, और उन छिपे हुए कोनों और औद्योगिक प्रणालियों का अन्वेषण कर सकता है, जिसे उसी सहजता से कर सकता है जैसे उस मछली ने किया जिसने इसे प्रेरित किया।