Robotic additive repair of damaged rammed-earth walls using printable earthen materials: a proof-of-concept experimental study

सदियों से, दुनिया के कई हिस्सों में घरों, खलिहानों और किलों की दीवारों का निर्माण जमीन से ऊपर की ओर, बिल्कुल शाब्दिक रूप से, किया जाता रहा है। निर्माता स्थानीय मिट्टी लेते हैं, उसमें पानी मिलाते हैं, और उसे लकड़ी के सांचों में परत-दर-परत मजबूती से भरते हैं, जब तक कि वह एक ठोस, टिकाऊ संरचना के रूप में सख्त न हो जाए, जिसे 'रैम्ड अर्थ' (कुटी हुई मिट्टी) कहा जाता है। यह प्राचीन तकनीक ऐसी इमारतें बनाती है जो जलवायु के साथ तालमेल बिठाती हैं, गर्मी को संचित करती हैं, और ग्रह पर बहुत कम प्रभाव छोड़ती हैं। फिर भी, मिट्टी से बनी सभी चीजों की तरह, ये दीवारें भी संवेदनशील होती हैं। समय के साथ, बारिश, हवा और वर्षों के बीतने से इनकी सतह घिस सकती है, इनके कोने टूट सकते हैं, या इनमें गहरे गड्ढे और दरारें आ सकती हैं। इन दीवारों की मरम्मत करना एक नाजुक कार्य है; यदि आप उन्हें गलत प्रकार के आधुनिक सीमेंट या कंक्रीट से भरते हैं, तो आप अंदर नमी को फंसा सकते हैं या एक ऐसा कठोर कवच बना सकते हैं जो नीचे की नरम मिट्टी को तोड़ देता है। एक अच्छी मरम्मत का लक्ष्य नुकसान को बिना बाकी दीवार को छेड़े भरना है, ऐसे उपयोग करके जो मूल मिट्टी की तरह महसूस करें और व्यवहार करें।

अब, कल्पना कीजिए कि आप एक मशीन का उपयोग करके एक दीवार में एक टेढ़े-मेढ़े छेद को पूर्ण सटीकता के साथ भरने की कोशिश कर रहे हैं, जो एक मानव हाथ की निपुणता के साथ चल सकती है लेकिन कभी थकती नहीं है। यही वह चुनौती थी जिसे शोधकर्ताओं ने हल करने का निर्णय लिया। वे यह जानना चाहते थे कि क्या एक रोबोट को इन ऐतिहासिक, मिट्टी-आधारित दीवारों की मरम्मत करने के लिए सिखाया जा सकता है, न कि केवल ऊपर से एक पैच चिपकाकर, बल्कि एक विशेष मिश्रण का उपयोग करके, मूल मिट्टी की नकल करते हुए, गायब हिस्सों को परत-दर-परत फिर से बनाकर। सवाल केवल यह नहीं था कि क्या रोबोट हिल सकता है, बल्कि यह था कि क्या नया पदार्थ चिपक जाएगा, अपना आकार बनाए रखेगा और वास्तव में दीवार को मजबूती से खड़ा रहने में मदद करेगा, या यह केवल एक नाजुक खोल की तरह वहां बैठा रहेगा।

स्पेन, चीन और ऑस्ट्रेलिया के विश्वविद्यालयों और इंजीनियरिंग विभागों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने पारंपरिक रैम्ड अर्थ विधियों का उपयोग करके एक बड़ी दीवार बनाई और फिर वर्षों के कटाव का अनुकरण करने के लिए उसके ऊपरी हिस्से को जानबूझकर क्षतिग्रस्त कर दिया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या एक मोबाइल रोबोट, जो छह भुजाओं वाले यांत्रिक हाथ और एक नोजल से लैस है, दीवार के सामने के स्थान में नेविगेट कर सकता है और एक नया, प्रिंट करने योग्य मिट्टी का पदार्थ जमा कर सकता है। यह सामग्री, जिसे वे 'प्रिंट करने योग्य मृदा मरम्मत मिश्रण' कहते हैं, बिना सीमेंट के डिजाइन की गई थी। इसके बजाय, इसमें स्थानीय मिट्टी, रेत और प्राकृतिक बाइंडर्स जैसे पौधों के रेशों और स्टार्च का मिश्रण उपयोग किया गया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह उस पुरानी दीवार की तरह ही व्यवहार करे जिसे इसे ठीक करना है।

रोबोट को एक विशिष्ट पथ का पालन करने के लिए प्रोग्राम किया गया था, जो नए पदार्थ को पतली, क्षैतिज परतों में बिछाने के लिए आगे-पीछे चलता था। प्रक्रिया सफल रही। मशीन ने मिश्रण के लगभग 200 किलोग्राम को सफलतापूर्वक जमा किया, क्षतिग्रस्त हिस्से को तब तक बनाया जब तक कि वह मूल दीवार के आकार से मेल नहीं खा गया। पदार्थ नोजल से सुचारू रूप से प्रवाहित हुआ, बिछाए जाने पर अपना रूप बनाए रखा, और नीचे की पुरानी मिट्टी के साथ जुड़ गया। कोई ढहने की घटना नहीं हुई, और नया हिस्सा मजबूती से खड़ा रहा। प्रयोग के इस भाग ने सिद्ध किया कि एक रोबोट भौतिक रूप से इस आकार की दीवार की मरम्मत करने का कार्य कर सकता है, जिससे एक निरंतर, स्थिर मरम्मत क्षेत्र बन सकता है जिसे एक मानव कार्यकर्ता इतनी निरंतरता के साथ आसानी से दोहरा नहीं सकता।

लेकिन दीवार बनाना केवल पहला कदम था। शोधकर्ताओं को यह जानने की आवश्यकता थी कि क्या उनके रोबोट द्वारा मरम्मत की गई दीवार वास्तव में भार सह सकती है। उन्होंने मरम्मत की गई दीवारों के छोटे संस्करण लिए और उन्हें एक परीक्षण मशीन में तब तक दबाया जब तक कि वे विफल नहीं हो गईं, और उनकी तुलना उसी मिट्टी से बनी एक नई, अछूती दीवार से की। मरम्मत की गई दीवार ने नई दीवार जितनी अधिक मात्रा में भार नहीं उठाया, जो 22.74 किलोन्यूटन के शिखर भार तक पहुँच गई, जो ताजी दीवार की शक्ति का लगभग 56 प्रतिशत था। यह परिणाम अपेक्षित था, क्योंकि मरम्मत की गई दीवार में पुरानी, संकुचित मिट्टी और नए, स्तरित पदार्थ का मिश्रण था, और शोधकर्ताओं को उम्मीद नहीं थी कि यह एक ठोस, नए बने ब्लॉक जितना मजबूत होगा। हालांकि, दीवार केवल ढह नहीं गई; इसने अपना स्थान बनाए रखा और एक महत्वपूर्ण भार वहन किया, जिससे सिद्ध हुआ कि मरम्मत केवल दिखावटी नहीं बल्कि संरचनात्मक थी।

दीवार को दबाए जाने के दौरान उसके भीतर क्या हुआ, इसने एक आश्चर्यजनक अंतर्दृष्टि प्रदान की। शोधकर्ताओं ने दीवार के पुराने निचले हिस्से और रोबोट द्वारा बनाए गए नए ऊपरी हिस्से, दोनों पर सूक्ष्म सेंसर लगाए। जैसे-जैसे वजन बढ़ा, सेंसरों ने दिखाया कि नया, प्रिंट किया गया स्तर पुराने स्तर की तुलना में बहुत अधिक खिंचाव और विरूपण (deformation) प्रदर्शित करता है। अधिकतम दबाव के बिंदु के पास, नया पदार्थ मूल मिट्टी की तुलना में लगभग पांच गुना अधिक तनाव (strain) को सोख रहा था। यह सुझाव देता है कि रोबोटिक रूप से प्रिंट की गई परत एक सुरक्षात्मक कुशन की तरह कार्य करती है। मूल, ऐतिहासिक दीवार पर तनाव पड़ने के बजाय, नया पदार्थ ऊर्जा को सोखने के लिए खिंचता और मुड़ता है। जब दीवार ने अंततः क्षति के संकेत दिए, तो दरारें मुख्य रूप से नए, प्रतिस्थापनीय ऊपरी भाग में दिखाई दीं, जबकि नीचे की मूल मिट्टी काफी हद तक सुरक्षित रही।

पुराने और नए पदार्थों के बीच का इंटरफेस भी अच्छी तरह से टिका रहा। शोधकर्ताओं ने संक्रमण क्षेत्र में जुड़ाव को बेहतर बनाने के लिए सुदृढीकरण की एक जाली (mesh) रखी थी। परीक्षण के बाद, उन्होंने कनेक्शन का निरीक्षण किया और पाया कि दोनों सामग्रियां आपस में जुड़ी रही थीं, और उनमें कोई बड़े पैमाने पर अलगाव नहीं हुआ। क्षति ऊपरी, प्रिंट किए गए क्षेत्र में केंद्रित थी, जिसे सैद्धांतिक रूप से भविष्य में बिना नीचे की मूल्यवान मूल दीवार को छुए फिर से मरम्मत किया जा सकता है। यह व्यवहार बताता है कि मरम्मत की विधि केवल एक छेद को भरने से कहीं अधिक करती है; यह एक ऐसा क्षेत्र बनाती है जो शेष संरचना की रक्षा के लिए खुद को बलिदान कर सकता है।

अध्ययन ने काम के व्यावहारिक पक्ष को भी देखा, जिसमें यह दर्ज किया गया कि कितनी सामग्री का उपयोग किया गया और इसकी लागत क्या थी। टीम ने एक छोटे कमरे की दीवार के खंड के आकार के क्षेत्र को भरने के लिए मिश्रण के 200 किलोग्राम का उपयोग किया। इस मात्रा के लिए कच्चे माल की लागत लगभग 180 चीनी युआन थी, या मरम्मत की गई सतह के प्रति वर्ग मीटर के लिए लगभग 360 युआन। हालांकि इसमें रोबोट की लागत या इसे चलाने के श्रम की लागत शामिल नहीं है, लेकिन यह प्रक्रिया की सामग्री दक्षता को समझने के लिए एक आधार प्रदान करता है। रोबोट ने सामग्री को ठीक वहीं जमा किया जहाँ उसकी आवश्यकता थी, जिससे बहुत कम बर्बादी हुई, और यह रिकॉर्ड बनाया गया कि कितना और कहाँ उपयोग किया गया।

यह शोध यह दावा नहीं करता है कि इसने प्राचीन इमारतों की मरम्मत की सभी समस्याओं को हल कर दिया है। परीक्षण प्रयोगशाला में उन दीवारों पर किए गए थे जिन्हें विशेष रूप से प्रयोग के लिए बनाया गया था, न कि सदियों पुरानी संरचनाओं पर जो वास्तविक मौसम और जटिल क्षति का सामना कर रही हैं। रोबोट ने हर दरार को खोजने के लिए वास्तविक समय में दीवार को स्कैन करने के बजाय एक पूर्व-नियोजित पथ का पालन किया, और बारिश या ठंड के खिलाफ नए पदार्थ के दीर्घकालिक स्थायिरता का अभी तक पूरी तरह से परीक्षण नहीं किया गया है। हालांकि, अध्ययन ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि एक रोबोटिक प्रणाली का उपयोग नियंत्रित, मापने योग्य और संरचनात्मक रूप से सुदृढ़ तरीके से रैम्ड अर्थ दीवारों की मरम्मत के लिए किया जा सकता है। इसने दिखाया कि नया पदार्थ पुरानी मिट्टी के साथ जुड़ सकता है, मरम्मत भार वहन कर सकती है, और प्रिंट की गई परत मूल दीवार की रक्षा के लिए एक बलिदानी ढाल (sacrificial shield) के रूप में कार्य कर सकती है।

यह कार्य एक ऐसे भविष्य का सुझाव देता है जहाँ ऐतिहासिक मिट्टी की इमारतों का रखरखाव अधिक सटीक और कम दखल देने वाला हो सकता है। यह आकलन करने के लिए कि कितना भरना है या कितनी मजबूती से भरना है, केवल एक शिल्पकार के कौशल पर निर्भर रहने के बजाय, एक रोबोट एक डिजिटल योजना का पालन कर सकता है और क्षतिग्रस्त हिस्सों को सटीक निरंतरता के साथ फिर से बना सकता है। यह इन कम-कार्बन, प्राचीन संरचनाओं को संरक्षित करने का एक तरीका प्रदान करता है, जिसमें केवल टूटे हुए हिस्से को ठीक किया जाता है, ऐसी सामग्रियों का उपयोग किया जाता है जो मिट्टी से संबंधित हैं, और किए गए कार्य का एक स्पष्ट रिकॉर्ड छोड़ा जाता है। रोबोट ने संरक्षण में मानवीय निर्णय की आवश्यकता को प्रतिस्थापित नहीं किया, बल्कि इसने एक ऐसा नया उपकरण प्रदान किया जो अतीत की मरम्मत करने के नाजुक कार्य को थोड़ा अधिक विश्वसनीय और थोड़ा कम जोखिम भरा बना सकता है।