How Does Hard Magnetic Soft Matter Deform?
यह शोध पत्र प्रति-उदाहरणों का निर्माण करके और एक प्रथम-सिद्धांत ढांचे को स्थापित करके कठोर चुंबकीय मृदु सामग्रियों के विरूपण के संबंध में परस्पर विरोधी मॉडलों को हल करता है, जो इन दृष्टिकोणों को तर्कसंगत उपकरण डिजाइन के लिए एक एकल इष्टतम बंद-रूप नियम में एकीकृत करता है।
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एक ऐसे पदार्थ की कल्पना करें जो आदेश मिलने पर मुड़ सके, घूम सके और तह हो सके, इसलिए नहीं कि यह तारों या बैटरी से संचालित है, बल्कि इसलिए क्योंकि यह एक चुंबकीय क्षेत्र के प्रति प्रतिक्रिया करता है। यह 'हार्ड-मैग्नेटिक सॉफ्ट मैटेरियल्स' (hard-magnetic soft materials) का वादा है, जो पदार्थों का एक ऐसा वर्ग है जो रबर के लचीलेपन को दुर्लभ-पृथ्वी चुंबकों (rare-earth magnets) की स्थायी चुंबकीय शक्ति के साथ जोड़ता है। इन कोमल ब्लॉकों के भीतर छोटे, कठोर चुंबकीय कण होते हैं जो एक निश्चित चुंबकीय दिशा बनाए रखते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक दिशा सूचक यंत्र (compass needle) जो कभी नहीं भूलता कि उत्तर दिशा किस ओर है। जब एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तो ये अंतर्निहित कण इसके साथ संरेखित होने की कोशिश करते हैं, जिससे आसपास के नरम रबर पर एक घुमाव बल (twisting force) पड़ता है। यह आंतरिक खींचतान पूरे पदार्थ को जटिल आकारों में मोड़ देती है, जिससे बिना किसी भौतिक बिजली स्रोत के जुड़े हुए अनटैदर्ड रोबोट (untethered robots), लचीले चिकित्सा उपकरण और अनुकूलन योग्य लेंस बनाना संभव हो जाता है।
इंजीनियरों के लिए इन उपकरणों को डिजाइन करने हेतु, उन्हें यह अनुमान लगाने में सक्षम होना चाहिए कि पदार्थ वास्तव में कैसे गति करेगा। इसके लिए एक विशिष्ट यांत्रिक पहेली को समझना आवश्यक है: जब नरम रबर खिंचता या विकृत होता है, तो उसके भीतर के कठोर चुंबकीय कण कैसे घूमते हैं? इसका उत्तर स्पष्ट नहीं है। यदि कण एक तरीके से घूमते हैं, तो उपकरण इच्छित रूप से मुड़ सकता है; यदि वे अलग तरह से घूमते हैं, तो उपकरण कुछ भी नहीं करेगा। वर्षों तक, वैज्ञानिक इस घूर्णन का अनुमान लगाने के लिए विभिन्न गणितीय नियमों पर निर्भर रहे हैं, लेकिन ये नियम अक्सर एक-दूसरे से असहमत थे, जिससे पदार्थ के व्यवहार के बारे में परस्पर विरोधी भविष्यवाणियां होती थीं। कुछ नियमों ने सुझाव दिया कि कण पदार्थ के समग्र खिंचाव का अनुसरण करेंगे, जबकि अन्य ने तर्क दिया कि वे कणों के आकार की अनदेखी करते हुए केवल खिंचाव की दिशा के आधार पर घूमेंगे।
PNAS Nexus में प्रकाशित एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इसे पूरी तरह से नए सिरे से बनाकर इस लंबे समय से चले आ रहे विवाद को सुलझा लिया है। यह अनुमान लगाने के बजाय कि कण कैसे चलते हैं, उन्होंने एक खिंचते हुए नरम मैट्रिक्स के भीतर एक कठोर कण के घूमने के सबसे ऊर्जा-कुशल तरीके की गणना की। उन्होंने इस समस्या को प्रतिरोध के न्यूनतम पथ (path of least resistance) की खोज के रूप में देखा, जिसमें रबर को खींचने के लिए आवश्यक ऊर्जा और कण को घुमाने के लिए आवश्यक ऊर्जा के बीच संतुलन बनाया गया। कण की कठोर गति और आसपास के पदार्थ के सुचारू खिंचाव के बीच सामंजस्य बिठाने वाली एक विधि का उपयोग करके, उन्होंने एक एकल, स्पष्ट नियम निकाला जो सटीक रूप से बताता है कि कण कैसे घूमता है। यह नया नियम कण के आकार और उसके प्रारंभिक कोण को ध्यान में रखता है, ऐसे कारक जिन्हें पिछले मॉडलों ने या तो अनदेखा कर दिया था या गलत तरीके से संभाला था।
शोधकर्ताओं ने अपने नए नियम का परीक्षण कंप्यूटर सिमुलेशन के विरुद्ध किया, जिसने पदार्थ को अत्यधिक विस्तार से मॉडल किया था, जिसमें यह देखने के लिए इसे हजारों सूक्ष्म बिंदुओं में विभाजित किया गया था कि यह कैसे विकृत होता है। उन्होंने पाया कि उनका नया नियम उच्च सटीकता के साथ इन विस्तृत सिमुलेशन से मेल खाता है, जबकि पुराने, प्रतिस्पर्धी नियम अक्सर विफल हो जाते थे। विशेष रूप से, अध्ययन ने दिखाया कि यह लोकप्रिय विचार कि कण केवल खिंचाव की समग्र दिशा के आधार पर घूमते हैं, मौलिक रूप से त्रुटिपूर्ण है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यदि एक कण वृत्त के बजाय दीर्घवृत्त (ellipse) के आकार का है, और वह एक कोण पर झुका हुआ है, तो वह महत्वपूर्ण रूप से घूमेगा, भले ही पदार्थ को केवल एक सीधी रेखा में खींचा जा रहा हो। पुराने मॉडल, जिन्होंने यह माना था कि ऐसी स्थिति में कण नहीं घूमेगा, उन्होंने भविष्यवाणी की थी कि पदार्थ स्थिर रहेगा, जो इन चुंबकीय उपकरणों के काम करने के मूल बिंदु को ही मिस कर देते हैं।
सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह है कि अतीत में वैज्ञानिकों द्वारा उपयोग किए गए विरोधाभासी मॉडल वास्तव में हर स्थिति में गलत नहीं हैं; वे बस इस नए, अधिक सामान्य नियम के विशेष, सीमित संस्करण हैं। जब चुंबकीय कण पूरी तरह से गोल होते हैं, या जब पदार्थ को एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से खींचा जाता है, तो नया नियम पुराने भविष्यवाणियों से मेल खाने के लिए सरल हो जाता है। हालांकि, वास्तविक दुनिया के अधिकांश आकारों और कोणों के लिए, पुराने नियम विफल हो जाते हैं। नया दृष्टिकोण प्रकट करता है कि कण का आकार उस बल के समान ही महत्वपूर्ण है जो उस पर लगाया जाता है। एक लंबा, पतला कण एक गोल कण की तुलना में बहुत अलग व्यवहार करेगा, और नया सूत्र इस अंतर को सटीक रूप से पकड़ता है। इसका अर्थ है कि इंजीनियर अब बहुत अधिक विश्वास के साथ सॉफ्ट रोबोट डिजाइन कर सकते हैं, यह जानते हुए कि उनके आंतरिक चुंबकीय कण डिवाइस के हिलने पर खुद को कैसे उन्मुख करेंगे।
अध्ययन ने वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में पुराने मॉडलों की एक गंभीर विफलता पर भी प्रकाश डाला। एक परीक्षण में जहाँ झुके हुए, दीर्घवृत्त आकार के कणों वाले पदार्थ पर चुंबकीय क्षेत्र लगाया गया था, पुराने मॉडलों ने भविष्यवाणी की कि पदार्थ बिल्कुल भी नहीं हिलेगा, जो प्रभावी रूप से यह सुझाव देता था कि चुंबकीय बल का आकार पर कोई प्रभाव नहीं पड़ा। नया मॉडल, हालांकि, सही ढंग से भविष्यवाणी करता है कि पदार्थ विकृत होगा और घूमेगा, जो इस भौतिक वास्तविकता के अनुरूप है कि चुंबकीय बलों से गति होनी चाहिए। यह अंतर सॉफ्ट रोबोटिक्स के भविष्य के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। यदि कोई डिजाइनर ऐसे मॉडल का उपयोग करता है जो कोई गति नहीं दिखाता है, तो वे एक ऐसा उपकरण बना सकते हैं जो कभी सक्रिय ही नहीं होगा। इस नए, अधिक सटीक नियम का उपयोग करके, डिजाइनर विश्वसनीय रूप से चुंबकीय ऊर्जा को जटिल, नियंत्रित गति में बदलने वाले उपकरण बना सकते हैं, जो चिकित्सा और अन्वेषण के लिए अधिक परिष्कृत और सक्षम मशीनों के द्वार खोलता है।
अंततः, यह कार्य हार्ड-मैग्नेटिक सॉफ्ट मैटर के विकृत होने को समझने के लिए एक एकीकृत तरीका प्रदान करता है। यह विरोधाभासी अनुमानों के संग्रह को एक एकल, भौतिकी-आधारित नियम से बदल देता है जो आकारों और स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में काम करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि चुंबकीय समावेश (magnetic inclusions) की गति की भविष्यवाणी करने के लिए ऊर्जा संतुलन पर ध्यान केंद्रित करके, वे एक क्लोज्ड-फॉर्म अभिव्यक्ति (closed-form expression) प्राप्त कर सकते हैं। यह अभिव्यक्ति डिजाइन सॉफ्टवेयर में उपयोग करने के लिए पर्याप्त सरल है और विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन से मेल खाने के लिए पर्याप्त सटीक भी है। परिणाम वायरलेस, प्रोग्रामेबल सॉफ्ट उपकरणों की अगली पीढ़ी बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करता है कि जब चुंबकीय क्षेत्र चालू किया जाए, तो हमारे द्वारा बनाए गए पदार्थ बिल्कुल उसी तरह व्यवहार करें जैसा हम चाहते हैं।
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