Self-excited actuation enables adaptive and resilient flapping-wing flight
यह शोध पत्र कीटों की मांसपेशियों की नकल करने के लिए एसिंक्रोनस एक्ट्यूएशन (asynchronous actuation) का उपयोग करने वाले पहले उड़ान-सक्षम फ्लैपिंग-विंग रोबोट को प्रस्तुत करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि यह स्व-उत्तेजित रणनीति बाहरी संवेदन या नियंत्रण हस्तक्षेप की आवश्यकता के बिना अनुकूलन योग्य, लचीली और तात्कालिक बाधा निवारण को सक्षम बनाती है।
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प्राकृतिक दुनिया में, उड़ने की क्षमता अक्सर जीवन और मृत्यु का मामला होती है। सबसे छोटे जीवों के लिए, फल वाली मक्खी से लेकर मच्छर तक, उड़ान केवल एक स्थान से दूसरे स्थान पर जाने के बारे में नहीं है; यह हवा के साथ एक उच्च-गति वाला समझौता है जिसके लिए हवा में बने रहने के लिए पलक झपकते ही समायोजन की आवश्यकता होती है। इसे प्राप्त करने के लिए, प्रकृति ने पंख फड़फड़ाने के लिए मांसपेशियों को शक्ति देने के दो अलग-अलग तरीके विकसित किए हैं। पहला तरीका सीधा और सुविचारित है: एक तंत्रिका संकेत एक मांसपेशी को संकुचित होने के लिए कहता है, पंख हिलता है, और मस्तिष्क अगले आदेश की प्रतीक्षा करता है। यह एक कंडक्टर की तरह है जो ऑर्केस्ट्रा को बताता है कि प्रत्येक नोट कब बजाना है। दूसरा तरीका अधिक रहस्यमय और आत्मनिर्भर है। यहाँ, मांसपेशी के पास एक विशेष गुण होता है जहाँ उसे खींचने से संकुचन शुरू होता है, जो फिर विपरीत मांसपेशी को खींचता है, जिससे एक निरंतर, लयबद्ध लूप बनता है जो मस्तिष्क से निरंतर आदेशों के बिना अपने आप चलता रहता है। यह स्व-शुरू होने वाली लय कीटों को एक सेकंड में सैकड़ों बार अपने पंख फड़फड़ाने की अनुमति देती है, जिससे वे अपने शरीर या आसपास की हवा में होने वाले परिवर्तनों के प्रति तुरंत अनुकूलित हो जाते हैं। जबकि इंजीनियर लंबे समय से ऐसे रोबोट बनाने में सक्षम रहे हैं जो पहले, सीधे तरीके की नकल करके उड़ते हैं, दूसरा, आत्मनिर्भर दृष्टिकोण मशीनों के लिए एक चुनौती बना हुआ है। क्या एक रोबोट इस प्रकार के स्व-सुधार करने वाली, स्वचालित शक्ति का उपयोग करके एक अव्यवस्थित, बाधाओं से भरी दुनिया में उड़ सकता है, यह एक खुला प्रश्न रहा है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब पहली उड़ने वाली रोबोट बनाई है जो इस आत्म-निर्भर मांसपेशी रणनीति का उपयोग करती है। पंखों की प्रत्येक फड़फड़ाहट के समय को निर्धारित करने के लिए केंद्रीय कंप्यूटर पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने एक ऐसी मशीन बनाई है जहाँ पंख स्वयं के मोटर में बने फीडबैक लूप के माध्यम से अपनी लय उत्पन्न करते हैं। यह रोबोट, जिसका वजन केवल पांच ग्राम है और पंखों का फैलाव 155 मिलीमीटर है, भारी कैमरों या सेंसर जोड़ने के बिना अपनी गति को महसूस करने के लिए एक चतुर तकनीक का उपयोग करता है। बिजली के मोटर जो पंखों को चलाते हैं, वे सेंसर के रूप में भी कार्य करते हैं; जैसे-जैसे पंख घूमते हैं, वे एक छोटा विद्युत संकेत उत्पन्न करते हैं जो सिस्टम को बताता है कि वे कितनी तेजी से चल रहे हैं। रोबोट का नियंत्रण तंत्र इस संकेत का उपयोग एक देरी (डिली) बनाने के लिए करता है, जो कीटों में पाए जाने वाले जैविक "स्ट्रेच एक्टिवेशन" (खिंचाव सक्रियण) की नकल करता है। जब पंख खिंचता है, तो सिस्टम उसे वापस खींचने से पहले एक अंश सेकंड प्रतीक्षा करता है, जिससे एक निरंतर, आत्म-निर्भर दोलन (ऑसिलेशन) पैदा होता है। यह डिज़ाइन इस तरह से काम करता है कि रोबोट को हर फड़फड़ाहट के समय की गणना करने के लिए निरंतर मस्तिष्क की आवश्यकता नहीं होती।
इस नए दृष्टिकोण के परिणाम आश्चर्यजनक हैं, विशेष रूप से तब जब रोबोट वास्तविक दुनिया की अराजकता का सामना करता है। उन परीक्षणों में जहाँ रोबोट ऊर्ध्वाधर डंडों से भरे पिंजरे के माध्यम से उड़ा, दोनों तरीकों के बीच का अंतर स्पष्ट था। पारंपरिक, कंप्यूटर-निर्धारित विधि का उपयोग करने वाले रोबोट जल्दी ही दुर्घटनाग्रस्त हो गए। जब उनके पंख एक डंडे से टकराए, तो कंप्यूटर लगातार वही संकेत भेजता रहा, जिससे पंख बार-बार बड़ी ताकत के साथ बाधा से टकराते रहे, जिससे पूरी मशीन अस्थिर हो गई। इसके विपरीत, आत्म-निर्भर पंखों वाले रोबोट ने टक्कर पर तुरंत प्रतिक्रिया दी। जैसे ही एक पंख बाधा से टकराया और उसकी गति रुकी, फीडबैक लूप टूट गया, और मोटर ने स्वाभाविक रूप से खींचना बंद कर दिया। पंख बस फड़फड़ाना बंद कर दिया, जिससे रोबोट हिंसक दुर्घटना के बिना बाधा के पास से फिसल कर निकल गया या खुद को संभाल सका। इन भीड़भाड़ वाले वातावरण में, आत्म-निर्भर रोबोट बारह में से नौ प्रयासों में पिंजरे के शीर्ष तक पहुँचने में सफल रहा, जबकि पारंपरिक रोबोट केवल दो बार सफल हुआ।
यह अनुकूलनशीलता केवल दुर्घटनाओं से बचने तक ही सीमित नहीं है। शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि रोबोट ने क्षति को कैसे संभाला। जब उन्होंने चोट का अनुकरण करने के लिए पंखों के एक हिस्से को काट दिया, तो पारंपरिक रोबोट उड़ने के लिए संघर्ष करने लगा, और अक्सर जमीन से ऊपर उठने में विफल रहा। हालाँकि, आत्म-निर्भर रोबोट ने स्वतः समायोजन किया। क्योंकि इसकी लय पंखों के भौतिक भार और प्रतिरोध से जुड़ी है, पंखों के क्षेत्रफल की कमी ने यांत्रिक संतुलन को बदल दिया, और सिस्टम ने स्वाभाविक रूप से क्षति की भरपाई करने के लिए अपनी फड़फड़ाहट की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) बढ़ा दी। इसने अपने बीट रेट को लगभग 12.6 प्रतिशत बढ़ाया, जिससे यह क्षति के बावजूद उड़ने के लिए पर्याप्त लिफ्ट उत्पन्न करने में सक्षम हुआ, और यह सब बिना किसी कंप्यूटर द्वारा चोट का पता लगाए या उड़ान योजना को पुन: प्रोग्राम किए। यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने उड़ते हुए रोबोट को हवा में ही पकड़ लिया, तो पंख गति रुकते ही तुरंत फड़फड़ाना बंद कर दिए और छोड़ने पर तुरंत फिर से शुरू हो गए, जो जटिल सेंसिंग या निर्णय लेने की आवश्यकता के बिना सुरक्षा और प्रतिक्रिया का स्तर प्रदर्शित करता है।
यह कार्य उड़ने वाली मशीनों के भविष्य के लिए एक नया मार्ग सुझाता है। रोबм के हर आंदोलन को प्रबंधित करने के लिए केवल सॉफ्टवेयर पर निर्भर रहने के बजाय, उसकी भौतिक यांत्रिकी में बुद्धिमत्ता को शामिल करके, इंजीनियर ऐसी मशीनें बना सकते हैं जो स्वाभाविक रूप से अधिक लचीली हों। रोबोट को यह बताने की आवश्यकता नहीं है कि टकराने पर रुकना है; उसके अपने डिज़ाइन का भौतिक विज्ञान उसे रुकने के लिए मजबूर करता है। यह दृष्टिकोण इस बात को दर्शाता है कि कैसे प्रकृति में सबसे फुर्तीले कीट लाखों वर्षों से जीवित रहे हैं, जो यह सिद्ध करता है कि कभी-कभी सबसे उन्नत नियंत्रण प्रणाली एक तेज़ कंप्यूटर नहीं, बल्कि एक स्मार्ट शरीर होता है।
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