A robust single-sensing-element tactile sensor for concurrent pressure and tackiness detection with real-time signal decoupling capability

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ रोबोट केवल भारी बक्से उठाने या एक कमरे से दूसरे कमरे में जाने तक ही सीमित नहीं हैं; कल्पना करें कि उनमें स्पर्श की ऐसी समझ है जो हमारे जैसी ही हो। दशकों से, वैज्ञानिक मशीनों को दबाव, तापमान और यहाँ तक कि किसी सतह की बनावट को महसूस करने की क्षमता देने के लिए काम कर रहे हैं। यह क्षेत्र, जिसे 'टैक्टाइल सेंसिंग' (स्पर्श संवेदन) कहा जाता है, "इलेक्ट्रॉनिक स्किन" बनाने की नींव है जो रोबनों को मानव जगत के साथ सुरक्षित और बुद्धिमानी से बातचीत करने की अनुमति देता है। जबकि वर्तमान सेंसर एक रोबोट को यह बता सकते हैं कि वह कितनी जोर से दबाव डाल रहा है, वे एक बहुत अधिक सूक्ष्म और जटिल संवेदना को समझने में संघर्ष करते हैं: चिपचिपाहट (stickiness)। किसी सतह के कितना चिपचिपे होने का पता लगाने के लिए रोबोट को न केवल किसी वस्तु पर दबाव डालने की आवश्यकता होती है, बल्कि उससे दूर हटते समय होने वाले विशिष्ट प्रतिरोध को भी महसूस करने की आवश्यकता होती है। यह एक कठिन कार्य है क्योंकि इसमें शामिल बल अक्सर बहुत कम होते हैं, और उपयोग किए जाने वाले सेंसर भ्रमित हो सकते हैं, यानी वे दबाव (push) और खिंचाव (pull) के बीच अंतर नहीं कर पाते या बार-बार उपयोग के बाद अपनी सटीकता खो देते हैं। इस क्षमता के बिना, एक रोबोट एक नाजुक, चिपचिपी वस्तु को गिरा सकता है या यह ध्यान देने में विफल हो सकता है कि किसी सतह पर कोई चिपचिपा पदार्थ जमा हो गया है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार का सेंसर विकसित किया है जो मानव त्वचा के व्यवहार की नकल करके इन समस्याओं को हल करता है। इलेक्ट्रॉनिक्स की जटिल परतों का उपयोग करने के बजाय, जो खींचने पर अलग हो सकती हैं या टूट सकती हैं, उन्होंने एक एकल, मजबूत उपकरण बनाया है जो एक ही स्थान पर दबाव और खिंचाव दोनों बलों को महसूस कर सकता है। यह उपकरण एक लचीले प्लास्टिक पदार्थ से बने एक नरम, लचीले ढांचे के इर्द-गिर्द बनाया गया है। इस ढांचे के भीतर, उन्होंने एक छोटा चुंबक और एक सेंसर रखा है जो चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगा सकता है। इसकी डिजाइन की कुंजी सतह की गति में निहित है। जब रोबोट किसी वस्तु पर नीचे की ओर दबाव डालता है, तो सेंसर की नरम सतह अंदर की ओर धंस जाती है, जिससे चुंबक आंतरिक सेंसर के करीब आ जाता है। जब रोबोट एक चिपचिपी सतह से दूर खींचने की कोशिश करता है, तो सतह बाहर की ओर उभरती है, जिससे चुंबक और दूर चला जाता है। ये दो विपरीत गतियाँ चुंबकीय संकेत में स्पष्ट परिवर्तन पैदा करती हैं, जिससे उपकरण बिना किसी भ्रम के तुरंत दबाव और खिंचाव के बीच अंतर कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने इस सेंसर का परीक्षण विभिन्न प्रकार के टेप जैसी विभिन्न चिपचिपी सतहों पर दबाव डालकर और फिर उन्हें खींचकर किया। उन्होंने पाया कि उपकरण उस बल को सटीक रूप से माप सकता था जो दबाने के लिए आवश्यक था, जो शून्य से लेकर एक महत्वपूर्ण मात्रा तक था, और वह बल जो पीछे खींचने के लिए आवश्यक था, जो उच्च स्तर के प्रतिरोध तक पहुँच गया था। महत्वपूर्ण रूप से, सेंसर ने हजारों बार दबाने और खींचने के बाद भी अपनी सटीकता बनाए रखी, और हथौड़े से प्रहार किए जाने पर भी स्थिर रहा। यह स्थायित्व एक बड़ा सुधार है, क्योंकि पुराने डिजाइन अक्सर आंतरिक परतों के अलग होने या संकेतों के समय के साथ भटक जाने की समस्या से जूझते थे। दो कार्यों को करने के लिए एक ही सेंसिंग तत्व का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने संकेतों के एक-दूसरे में हस्तक्षेप करने की समस्या को समाप्त कर दिया, जो कि पुराने सेंसरों में एक आम समस्या थी जो एक साथ कई बलों को मापने का प्रयास करते थे।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि सेंसर यथासंभव प्रभावी हो, टीम ने अंतिम संस्करण बनाने से पहले विभिन्न आकारों और आकारों का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि आंतरिक चुंबक की मोटाई और आसपास के प्लास्टिक रिंग की ऊंचाई डिवाइस की संवेदनशीलता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है। इन आयामों को सावधानीपूर्वक समायोजित करके और उच्च दबाव को सहने में मदद करने के लिए इसके अंदर एक नरम स्पंज जैसी सामग्री जोड़कर, उन्होंने एक ऐसा सेंसर बनाया जो बलों की एक विस्तृत श्रृंखला को संभाल सकता है। अंतिम उपकरण ने तेजी से प्रतिक्रिया दी, एक सेकंड से भी कम समय में परिवर्तन दर्ज किया, और इस आधार पर कि सतह को कितनी देर तक दबाया गया था और कितनी तेजी से खींचा गया था, चिपचिपाहट के विभिन्न स्तरों के बीच अंतर कर सका। यह क्षमता रोबोट को न केवल यह पता लगाने की अनुमति देती है कि कुछ चिपचिपा है, बल्कि यह भी मापने की अनुमति देती है कि वह कितना चिपचिपा है, जो हल्के वजन की वस्तुओं को संभालने, रबर के पुराने होने की जांच करने या नई सामग्रियों की पहचान करने जैसे कार्यों के लिए आवश्यक है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल प्रयोगशाला परीक्षणों तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि इस सेंसर से लैस एक रोबोट हाथ सफलतापूर्वक विभिन्न सतहों की चिपचिपाहट का मूल्यांकन कर सकता है और वस्तुओं का संचालन करते समय चिपचिपे गुणों का पता लगा सकता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के रोबोट वास्तविक, गतिशील वातावरण में कहीं अधिक सक्षम हो सकते हैं जहाँ सतहें हमेशा साफ या अनुमानित नहीं होती हैं। उदाहरण के लिए, एक रोबोट पहचान सकता है कि क्या किसी सतह पर कोई चिपचिपा पदार्थ जमा हो गया है या चिपचिपे पदार्थों की स्थिति का आकलन कर सकता है बिना उन्हें नुकसान पहुँचाए। दबाव और खिंचाव बल दोनों को एक साथ मापने का एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करके, यह सेंसर मशीनों को एक जटिल दुनिया में नेविगेट करने के लिए आवश्यक सूक्ष्म स्पर्श धारणा देने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। वास्तविक समय में चिपचिपाहट को महसूस करने की क्षमता मनुष्यों और रोबोटों के बीच अधिक कुशल और सुरक्षित बातचीत के द्वार खोलती है, जो हमें एक ऐसे भविष्य के करीब ले जाती है जहाँ मशीनें वास्तव में उस भौतिक दुनिया को समझ सकेंगी जिसमें वे रहती हैं।