Active 3D weaves for load-bearing and damage-resilient locomotion
यह शोध पत्र सक्रिय 3D बुने हुए रोबोटिक संरचनाओं को बनाने के लिए एक सामान्य ढांचा प्रस्तुत करता है जो भार वहन करने के लिए उच्च अक्षीय कठोरता, कुशल एक्चुएशन के लिए कम झुकने वाली कठोरता और सिस्टम-स्तरीय लचीलेपन को अनूठे रूप से जोड़ते हैं, जिससे वे अपने स्वयं के वजन से 70 गुना अधिक भार ले जाते हुए गति करने और अत्यधिक संपीड़न को सहने में सक्षम होते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
सॉफ्ट रोबोट ऐसी मशीनें हैं जो कठोर धातु और गियर के बजाय मुड़ने, खिंचने और दबने वाली सामग्रियों से बनी होती हैं। यह लचीलापन उन्हें छूने के लिए सुरक्षित बनाता है और मानव शरीर पर पहनने, जैसे कि एक स्मार्ट शर्ट या मेडिकल ब्रेस, के लिए आदर्श बनाता है। हालाँकि, यही कोमलता उनकी सबसे बड़ी कमजोरी भी है। क्योंकि वे इतने लचीले होते हैं, उन्हें भारी वस्तुओं को उठाने या मजबूत बलों के विरुद्ध दबाव डालने में कठिनाई होती है क्योंकि वे ढह सकते हैं। दशकों से, इंजीनियरों ने एक कठिन विकल्प का सामना किया है: एक ऐसा रोबोट बनाना जो कोमल और सुरक्षित हो, या एक ऐसा रोबोट बनाना जो भारी वजन उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, लेकिन शायद ही कभी दोनों एक साथ।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने मानवता के सबसे पुराने शिल्पों में से एक: बुनाई की ओर देखकर इस अंतर को पाटने का एक तरीका खोज लिया है। जिस तरह एक टोकरी बनाने वाला लचीली डंडियों को आपस में गूंथकर एक ऐसा पात्र बनाता है जो हल्का और मजबूत दोनों होता है, इन वैज्ञानिकों ने पतली पट्टियों को तीन-आयामी आकारों में बुना है जो हिल सकते हैं, वजन उठा सकते हैं और दबाव झेल सकते हैं। इन बुने हुए ढांचों में विशेष तारों को लगाने से, जो गर्म होने पर सिकुड़ जाते हैं, उन्होंने एक नए प्रकार का रोबोट बनाया है जो चलने और मुड़ने के लिए पर्याप्त कोमल है, फिर भी अपने से कहीं अधिक भारी भार उठाने के लिए पर्याप्त सख्त है।
शोधकर्ताओं ने एक बुनियादी इकाई बनाने से शुरुआत की जिसे वे "बुना हुआ कोना" (woven corner) कहते हैं। कल्पना कीजिए कि आप पतली, चपटी रिबन के तीन समूहों को एक कोने के आकार में समकोण पर आपस में गूंथ रहे हैं, जैसा कि एक बुनी हुई टोकरी का कोना होता है। इस कोने को चलाने के लिए, उन्होंने एक विशेष धातु मिश्र धातु से बने दो कुंडलित तारों को इस संरचना के माध्यम से डाला। ये तार इस तरह डिज़ाइन किए गए हैं कि जब बिजली का करंट उन्हें गर्म करता है, तो वे सिकुड़ जाते हैं। जब शोधकर्ताओं ने एक छोटा विद्युत प्रवाह लगाया, तो तार गर्म होकर सिकुड़ गए, जिससे बुना हुआ कोना एक नए आकार में बदल गया। जब करंट बंद हुआ और तार ठंडे हो गए, तो कोना वापस अपने मूल रूप में आ गया।
तारों को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, टीम ने पाया कि वे इस कोने को चला सकते हैं। जब एक तरफ के तार गर्म हुए, तो कोना इस तरह मुड़ा कि पीछे के पैर आगे की ओर खिसक गए जबकि अगला पैर अपनी जगह पर टिका रहा। जब तार ठंडे हुए, तो अगला पैर आगे की ओर बढ़ा जबकि पिछले पैरों ने अपनी जगह बनाए रखी। इस हीटिंग और कूलिंग के चक्र को दोहराकर, कोना कदमों के रूप में आगे बढ़ा। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि वे केवल एक तार को गर्म करके कोने को मोड़ सकते हैं, जिससे चलते समय संरचना मुड़ जाती है। इस सरल इकाई ने यह सिद्ध कर दिया कि एक बुनी हुई संरचना चलने के लिए पर्याप्त लचीली और वजन उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत हो सकती है।
इस अवधारणा को बड़े स्तर पर ले जाने के लिए, टीम ने इन बुने हुए कोनों को बड़े, अधिक जटिल रोबोटों में जोड़ा। उन्होंने एक घन (cube) बनाया जो अपने पूरे शरीर को सिकोड़कर और फैलाकर चलता है, साथ ही ऐसे जीव बनाए जिनमें दो, तीन और चार पैर थे जो अपने अंगों को मोड़कर चलते थे। इनमें से प्रत्येक रोबot उसी बुने हुए पदार्थ और उसी गर्मी से सिकुड़ने वाले तारों से बनाया गया था। परिणाम आश्चर्यजनक थे। जबकि 10 ग्राम का बुना हुआ कोना अपने वजन का 25 गुना भार उठा सकता था, इन बुने हुए रोबोटों के व्यापक परिवार ने चलते हुए भी अपने वजन का सत्तर गुना तक भार उठाने की क्षमता प्रदर्शित की। उदाहरण के लिए, दस ग्राम वजन वाले एक रोबोट ने 250 ग्राम का भार उठा लिया, जो लगभग एक छोटे सेब के वजन के बराबर है, बिना चलने की क्षमता खोए।
शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि ये रोबोट अत्यधिक शोषण को कितनी अच्छी तरह झेलते हैं। शोधकर्ताओं ने बुने हुए कोनों को उनके अपने वजन से तेरह सौ गुना अधिक दबाव के अधीन रखा, जिससे वे पूरी तरह से चपटे हो गए। टूटने या दबे रहने के बजाय, रोबोट वापस अपने आकार में आ गए। बुनी हुई पट्टियाँ इस तरह मुड़ीं और दबीं कि उन्होंने झटके को सोख लिया और स्थायी रूप से विकृत नहीं हुईं, और धातु के तार, जो खिंच गए और मुड़ गए थे, दबाव हटने के बाद अपने मूल आकार में वापस आ गए। कई बार कुचले जाने और चपटा होने के बाद भी, रोबोटों ने ठीक उसी पथ पर चलना जारी रखा, जिससे प्रदर्शन में कोई कमी नहीं आई।
इस लचीलेपन का रहस्य स्वयं बुनाई के डिज़ाइन में निहित है। एक ठोस ब्लॉक के विपरीत जो दबाव में टूट सकता है, बुनी हुई संरचना के व्यक्तिगत धागे स्थानीय रूप से मुड़ और दब सकते हैं, जिससे बल पूरे आकार में वितरित हो जाता है। यह वैसा ही है जैसे एक बुनी हुई टोकरी को दबाकर चपटा किया जा सकता है और फिर वह वापस अपने आकार में आ सकती है, जबकि एक ठोस प्लास्टिक कप टूट जाएगा या पिचका रह जाएगा। शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया कि संरचना कैसे चलती है, जिसमें उन्होंने पाया कि बुनाई सीधी खींचने पर स्वाभाविक रूप से सख्त होती है लेकिन बगल से मुड़ने पर लचीली होती है। इस अनूठी विशेषता ने उन्हें कुशल गति के लिए मुड़ने वाली जगहों पर गतिशील तारों को रखने और भारी भार संभालने के लिए पर्याप्त सख्त बनाए रखने की अनुमति दी।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि बुनाई केवल कपड़ा बनाने की एक विधि नहीं है, बल्कि मशीनें बनाने के लिए एक शक्तिशाली इंजीनियरिंग रणनीति है। बुनाई की प्राचीन कला को आधुनिक सक्रिय सामग्रियों के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने रोबोटों का एक नया वर्ग बनाया है जो कोमल, मजबूत और अविश्वसनीय रूप से कठोर हैं। ये मशीनें एक दिन पहनने योग्य एक्सोस्केलेटन के रूप में काम कर सकती हैं जो लोगों को भारी वस्तुएं उठाने में मदद करती हैं, या बचाव रोबोट के रूप में जो मलबे के बीच से रेंग सकते हैं और बिना टूटे आपूर्ति ले जा सकते हैं। यह अध्ययन दिखाता है कि तीन आयामों में सोचकर और बुनी हुई संरचनाओं के प्राकृतिक गुणों का उपयोग करके, इंजीनियर सॉफ्ट रोबोट बनाने की दीर्घकालिक समस्या को हल कर सकते हैं जो वास्तव में काम करने के लिए पर्याप्त मजबूत भी हों।
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