Rivaling Foil Gauges: A Soft De-Shorting Strain Sensor with Intrinsic Off-Axis Insensitivity

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ रोबोट कठोर धातु और गियर से नहीं, बल्कि सिलिकॉन या रबर जैसी नरम, खिंचाव वाली सामग्रियों से बने होते हैं। ये "सॉफ्ट रोबोट" अद्भुत हैं क्योंकि वे तंग जगहों से गुजर सकते हैं, अंडों जैसी नाजुक वस्तुओं को संभाल सकते हैं, और मनुष्यों को चोट पहुँचाए बिना उनके साथ सुरक्षित रूप से बातचीत कर सकते हैं। लेकिन एक समस्या है: वास्तव में स्मार्ट और सहायक होने के लिए, एक रोबोट को अंतरिक्ष में अपने स्वयं के शरीर की स्थिति का पता होना चाहिए। इस क्षमता को प्रोप्रियोसेप्शन (proprioception) कहा जाता है। इसे अपने स्पर्श और शरीर की स्थिति के बोध की तरह समझें; आप अपनी आँखें बंद करके भी जानते हैं कि आपका हाथ ऊपर उठा हुआ है क्योंकि आपकी मांसपेशियां और त्वचा आपके मस्तिष्क को संकेत भेजती हैं।

कठोर, धातु वाले रोबोट के लिए, यह आसान है। उनके पास छोटे एनकोडर होते हैं जो ठीक से गिनते हैं कि वे कितना घूमे हैं। लेकिन सॉफ्ट रोबोट में जोड़ (joints) नहीं होते; वे एक नूडल की तरह मुड़ते और घूमते हैं। अपने आकार का पता लगाने के लिए, इंजीनियर आमतौर पर उन पर खिंचाव वाले सेंसर चिपकाने की कोशिश करते हैं। हालाँकि, अधिकांश लचीले सेंसर अव्यवस्थित होते हैं। वे अक्सर "हिस्टेरेसिस-प्रोन" (hysteresis-prone) होते हैं, जिसका अर्थ है कि यदि आप उन्हें खींचते हैं और छोड़ देते हैं, तो वे पूरी तरह से अपने मूल रीडिंग पर वापस नहीं लौटते, जिससे रोबकल भ्रमित हो जाता है। वे "नॉइजी" (noisy) भी होते हैं, जैसे रेडियो में स्टेटिक होता है, जिससे सूक्ष्म हलचल देखना कठिन हो जाता है। सबसे खराब बात यह है कि यदि आप एक सॉफ्ट रोबोट को बगल से मोड़ते हैं, तो एक सामान्य सेंसर शायद यह सोचेगा कि वह लंबाई में खिंच रहा है, जिससे रोबोट को अपने काम के बारे में गलत धारणा हो सकती है।

यहाँ झेजियांग यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं द्वारा बनाया गया एक नया आविष्कार आता है जो इस अव्यवस्थित समस्या को हल करने का प्रयास करता है। उन्होंने एक विशेष स्ट्रेन सेंसर बनाया है जो एक नरम रबर बैंड की तुलना में एक सटीक धातु के पैमाने (रूलर) की तरह काम करता है, भले ही वह नरम सामग्रियों से बना हो।

टीम ने, जिसका नेतृत्व झाओ जू और यी सोंग ने किया, एक उपकरण विकसित किया जिसे स्लाइडिंग-इलेक्ट्रोड डी-शॉर्टिंग स्ट्रेन सेंसर (SEDSS) कहा जाता है। इसे समझने के लिए, एक लंबी, पारदर्शी, खिंचाव वाली स्ट्रॉ की कल्पना करें जो एक विशेष चालक तरल (आयनिक तरल) से भरी हो। अब, कल्पना करें कि आप उस स्ट्रॉ के अंदर दो धातु के तार लगा रहे हैं, लेकिन उन्हें पूरा आर-पार नहीं जा रहे हैं। शुरुआत में, ये धातु के तार एक-दूसरे के इतने करीब होते हैं कि वे तरल के बीच "शॉर्ट-सर्किट" कर देते हैं, जिससे स्ट्रॉ के अधिकांश तरल को प्रभावी रूप से अनदेखा कर दिया जाता है। केवल तारों के सिरों के बीच का एक छोटा सा अंतराल ही वास्तव में कुछ भी माप रहा होता है।

यहाँ जादू का खेल है: जब आप स्ट्रॉ को खींचकर लंबा करते हैं, तो स्ट्रॉ लंबी हो जाती है, लेकिन स्ट्रॉ के अंदर के धातु के तार उसी लंबाई के रहते हैं। क्योंकि स्ट्रॉ उनके चारों ओर खिंच रही है, तार स्ट्रॉ की दीवारों के सापेक्ष पीछे की ओर फिसलते हैं। जैसे-जैसे वे फिसलते हैं, वे उस तरल को "अन-शॉर्ट" (un-short) या मुक्त करते हैं जिसे पहले अनदेखा किया गया था। अचानक, सक्रिय तरल का वह छोटा सा अंतराल लंबा होता जाता है, और सर्किट में अधिक से अधिक चालक तरल को शामिल करता जाता है।

यह इस सेंसर के काम करने के तरीके में एक चतुर बदलाव है। अधिकांश लचीले सेंसर इस बात पर निर्भर करते हैं कि सामग्री स्वयं अपनी आंतरिक संरचना को बदल देती है (जैसे दरारें खुलना या कणों का खिसकना) जिससे एक संकेत उत्पन्न होता है। यह प्रक्रिया अव्यवस्थित और धीमी होती है, जिससे पहले बताई गई "हिस्टेरेसिस" और शोर पैदा होता है। लेकिन यह नया सेंसर ज्यामिति (geometry) पर निर्भर करता है। यह एक नल की तरह है: धातु के तार हैंडल हैं, और तरल पानी है। हैंडल घुमाना (स्ट्रॉ को खींचना) केवल वाल्व खोलता है ताकि अधिक पानी बह सके। यह एक स्वच्छ, यांत्रिक गति है जो सामग्री के मिजाज या इतिहास पर निर्भर नहीं करती है। क्योंकि संकेत कठोर धातु के तारों की सटीक गति से आता है, इसलिए यह सेंसर अविश्वसनीय रूप से स्थिर और शांत है।

शोधकर्ताओं ने इस "लिक्विड-रिजिड-सॉफ्ट" डिजाइन का परीक्षण किया और पाया कि यह भारी उद्योग में उपयोग किए जाने वाले गोल्ड-स्टैंडर्ड मेटल सेंसर के लगभग समान प्रदर्शन करता है, लेकिन सॉफ्ट रोबोट के लचीलेपन के साथ। 0% से 30% के खिंचाव पर, सेंसर ने केवल 0.23% का हिस्टेरेसिस दिखाया। इसे समझने के लिए, यह लगभग एक धातु गेज जितना ही सटीक है। इसमें 59 dB का सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (SNR) था, जिसका अर्थ है कि यह बहुत स्पष्ट संकेत देता है, और इसका इनपुट स्ट्रेन शोर केवल 11 माइक्रोस्ट्रेन (µε) जितना कम है। इसका मतलब है कि यह 33 पार्ट्स प्रति मिलियन जितनी छोटी विकृति को भी पहचान सकता है, जो अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है।

सबसे रोमांचक हिस्सा यह है कि यह सेंसर "ऑफ-एक्सिस" (off-axis) समस्याओं को कैसे संभालता है। सॉफ्ट रोबोट अक्सर मुड़ते, घूमते या बगल से दबते हैं। सामान्य सेंसर इससे भ्रमित हो जाते हैं, मिश्रित संकेत भेजते हैं। लेकिन SEDSS स्वाभाविक रूप से इससे मुक्त है। क्योंकि सेंसर के अंदर के 96% तरल को धातु के तारों द्वारा "शॉर्ट" (अनदेखा) किया जाता है, इसलिए मुड़ने या घूमने से मुख्य रूप से अनदेखा किया गया हिस्सा ही प्रभावित होता है। सक्रिय हिस्सा केवल लंबाई बदलने पर ध्यान देता है। टीम ने सेंसर को 360 डिग्री मोड़ने, 360 डिग्री घुमाने और 50% तक दबाने के परीक्षण किए। इन सभी चरम स्थितियों में, सेंसर का आउटपुट मुश्किल से ही बदला, जो इसके पूर्ण-स्केल सिग्नल के 0.5% से नीचे रहा। यह प्रभावी रूप से मुड़ने और घूमने के "शोर" को फ़िल्टर करता है, और केवल खिंचाव पर ध्यान केंद्रित करता है।

यह साबित करने के लिए कि यह वास्तविक दुनिया में काम करता है, टीम ने एक सॉफ्ट सिलिकॉन पिलर (एक विशाल, लचीली उंगली की तरह) बनाया और उस पर इन तीन सेंसरों को लगाया। उन्होंने एक कंप्यूटर को इन केवल तीन सेंसरों के संकेतों को पढ़ने और पिलर के आकार का अनुमान लगाने के लिए प्रशिक्षित किया। बिना कैमरों या अन्य उपकरणों के भी, सिस्टम ने पिलर के 3D आकार को वास्तविक समय में पुनर्गठित किया। कंप्यूटर ने टिप (शीर्ष) की स्थिति को केवल 6.20 मिमी की त्रुटि और कोण को 3.20 डिग्री की त्रुटि के साथ पहचाना। यह दर्शाता है कि इन उच्च-गुणवत्ता वाले सेंसरों के साथ, एक सॉफ्ट रोबोट अंततः बिना किसी जटिल तारों या भारी कैमरों के अपने शरीर के आकार को "जान" सकता है।

पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि यह "डी-शॉर्टिंग" तंत्र लचीले सेंसर बनाने का एक नया तरीका प्रदान करता है जो धातु के सेंसर जितने विश्वसनीय हो सकते हैं। हालांकि वर्तमान संस्करण के लिए सावधानीपूर्वक मैनुअल असेंबली की आवश्यकता होती है (जो तारों की शुरुआती स्थिति में छोटी त्रुटियां ला सकती है), लेखकों का सुझाव है कि बेहतर विनिर्माण उपकरणों के साथ, यह सॉफ्ट रोबोट को दुनिया के साथ सुरक्षित और बुद्धिमान रूप से बातचीत करने के लिए आवश्यक स्पर्श की भावना और शरीर की जागरूकता देने का एक मानक तरीका बन सकता है।