Overcoming conventional trade-offs in strain sensing with physics-guided inverse design of aperiodic architected nanocomposites
यह शोध पत्र एक भौतिकी-निर्देशित व्युत्क्रम डिजाइन ढांचे (physics-guided inverse design framework) को प्रस्तुत करता है जो एपीरियॉडिक सीएनटी-पीडीएमएस (CNT-PDMS) नैनोकम्पोजिट मेटा-मटेरियल्स के लिए है, जो सॉफ्ट रोबोटिक्स और श्वसन निगरानी जैसे अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित इलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रतिक्रिया प्राप्त करने हेतु पदानुक्रमित वास्तुशिल्प संगठन (hierarchical architectural organization) का लाभ उठाकर बड़े-विकृति सेंसरों में संवेदनशीलता, रैखिकता और स्ट्रेन रेंज के बीच पारंपरिक समझौतों पर विजय प्राप्त करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ मशीनें इंसानों की तरह महसूस कर सकती हैं। नरम रोबोट जो एक पके हुए स्ट्रॉबेरी को बिना कुचले धीरे से पकड़ सकते हैं, या पहनने योग्य स्वास्थ्य मॉनिटर जो हर सांस के साथ खिंचते और मुड़ते हैं, इन सभी के लिए एक विशिष्ट प्रकार के सेंसर की आवश्यकता होती है। इन उपकरणों को काफी अधिक खिंचने में सक्षम होना चाहिए, अक्सर धातु के तारों द्वारा सहन किए जाने वाले स्तर से कहीं अधिक, जबकि उन्हें खिंचाव के बारे में एक स्पष्ट, सटीक विद्युत संकेत वापस भेजना चाहिए। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने इन सेंसरों को बनाने में एक निराशाजनक सीमा का सामना किया है। उपयोग की जाने वाली सामग्रियां आमतौर पर एक लचीले रबर और सूक्ष्म, प्रवाहकीय कणों का मिश्रण होती हैं। जब आप ऐसी सामग्री को खींचते हैं, तो इसकी विद्युत प्रतिरोधकता बदल जाती है, जिससे यह एक सेंसर के रूप में कार्य कर पाती है। हालांकि, एक मौलिक समझौता (trade-off) हमेशा इन सामग्रियों को पीछे खींचता रहा है: यदि आप सेंसर को छोटी गतिविधियों के प्रति बहुत संवेदनशील बनाते हैं, तो इसे बिना सिग्नल को अव्यवस्थित और अप्रत्याशित बनाए लंबी दूरी तक खींचना कठिन हो जाता है। इसके विपरीत, यदि आप सामग्री को बहुत लचीला और रैखिक (linear) बनाने के लिए ट्यून करते हैं, तो यह सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने के लिए बहुत सुस्त हो जाती है। एक ही, समान सामग्री में उच्च संवेदनशीलता और गति की एक विस्तृत, विश्वसनीय सीमा प्राप्त करना एक निरंतर संघर्ष रहा है।
बेल्जियम के केयू लुवेन (KU Leuven) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस लंबे समय से चले आ रहे नियम को तोड़ने का एक तरीका खोज लिया है। सामग्री की रासायनिक रेसिपी को बेहतर बनाने के बजाय, उन्होंने सेंसर के भौतिक आकार को बदल दिया। उन्होंने विभिन्न प्रकार की सामग्रियों के छोटे ब्लॉकों को एक विशिष्ट, दोहराते हुए पैटर्न में व्यवस्थित करके एक नए प्रकार का सेंसर बनाया, ठीक वैसे ही जैसे अलग-अलग प्रकार की ईंटों से एक संरचना बनाई जाती है। इन ब्लॉकों को एक सटीक क्रम में एक-दूसरे के बगल में प्रिंट करके, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया जहाँ खिंचाव के दौरान ब्लॉक एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया (interact) करते हैं। यह परस्पर क्रिया इस तरह से होती है कि सेंसर उन तरीकों से व्यवहार करता है जो वे व्यक्तिगत ब्लॉक अकेले हासिल नहीं कर सकते थे। परिणाम स्वरूप एक ऐसा सेंसर प्राप्त हुआ जो छोटी गतिविधियों के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है और साथ ही अपनी लंबाई का तीस प्रतिशत तक खिंचने में सक्षम है, जबकि उसका रिस्पॉन्स पूरी तरह से सीधा और पूर्वानुमानित बना रहता है।
शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग प्रकार की "इंक" (स्याही) बनाकर शुरुआत की। प्रत्येक इंक पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (polydimethylsiloxane) नामक एक नरम, पारदर्शी रबर और कार्बन नैनोट्यूब की एक सूक्ष्म मात्रा का मिश्रण थी, जो बिजली का संचालन करने वाली सूक्ष्म नलिकाएं हैं। उन्होंने प्रत्येक इंक में नैनोट्यूब की मात्रा को समायोजित करके तीन अलग-अलग सामग्रियां बनाईं: एक जो बहुत नरम और अत्यधिक संवेदनशील थी, एक जो मध्यम रूप से सख्त थी, और एक जो काफी सख्त और बहुत रैखिक थी। 'डायरेक्ट इंक राइटिंग' नामक एक विशेष 3D प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके, उन्होंने इन इंक को एक-दूसरे के बगल में लंबी, पतली शाखाओं के रूप में जमा किया। प्रत्येक शाखा तीन अलग-अलग खंडों, या "सेल्स" (cells) से बनी थी, जो एक के बाद एक जुड़े हुए थे। उदाहरण के लिए, एक एकल शाखा एक नरम सेल से शुरू हो सकती है, उसके बाद एक सख्त सेल हो सकता है, और फिर एक अन्य नरम सेल हो सकता है। इन शाखाओं को समानांतर में व्यवस्थित किया गया था ताकि एक पूर्ण सेंसर नेटवर्क बनाया जा सके।
इस सफलता की कुंजी यह है कि ये विभिन्न सेल्स खिंचाव के दौरान भार को कैसे साझा करते हैं। क्योंकि सेल्स एक रेखा में जुड़े हुए हैं, इसलिए उन सभी को समान बल का अनुभव करना पड़ता है। हालांकि, उनकी कठोरता अलग होने के कारण, वे अलग-अलग मात्रा में खिंचते हैं। नरम सेल्स सख्त सेल्स की तुलना में बहुत अधिक खिंचते हैं। यह असमान खिंचाव कोई दोष नहीं है; यह एक विशेषता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक बहुत ही संवेदनशील, नरम सेल को एक सख्त सेल के बगल में रखने से, नरम सेल को अपने आप से कहीं अधिक खिंचने के लिए मजबूर किया जाता है। यह "स्ट्रेन एम्प्लीफिकेशन" (तनाव प्रवर्धन) इस बात का प्रमाण है कि नरम सेल खिंचाव के प्रति बहुत अधिक नाटकीय रूप से प्रतिक्रिया करता है, जिससे सेंसर की समग्र संवेदनशीलता बढ़ जाती है। साथ ही, सख्त सेल्स सिग्नल को साफ और रैखिक बनाए रखने में मदद करते हैं, जिससे एक विस्तृत रेंज में रिस्पॉन्स सुचारू रहता है। अंतिम सेंसर एक एकीकृत प्रणाली के रूप में व्यवहार करता है जहाँ संपूर्ण इकाई अपने व्यक्तिगत भागों के योग से कहीं अधिक प्रभावी होती है, जिसे "इमर्जेंट प्रॉपर्टी" (उद्गामी गुण) कहा जाता है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे हजारों भौतिक प्रोटोटाइप बनाए और परीक्षण किए बिना इन सेंसरों को डिजाइन कर सकें, टीम ने भौतिकी के नियमों पर आधारित एक कंप्यूटर मॉडल विकसित किया। यह मॉडल एक मानचित्र की तरह कार्य करता है, जो यह दिखाता है कि एक एकल सेल का व्यवहार पूरे नेटवर्क में कैसे फैलता है और अंतिम सिग्नल बनाता है। इसने शोधकर्ताओं को यह अनुमान लगाने की अनुमति दी कि किसी भी सेंसर को प्रिंट करने से पहले वह कैसा प्रदर्शन करेगा। उन्होंने इस उपकरण का उपयोग एक विशाल डिज़ाइन स्पेस को खोजने के लिए किया, जिसमें वर्चुअली हजारों सेल व्यवस्थाओं के संयोजन का परीक्षण किया गया। मॉडल ने पुष्टि की कि उन्हीं तीन बुनियादी सामग्रियों को पुनर्व्यवस्थित करके, वे बहुत अलग व्यक्तित्व वाले सेंसर बना सकते हैं। कुछ डिज़ाइन सूक्ष्म कंपनों का पता लगाने के लिए अनुकूलित थे, जबकि अन्य को अत्यधिक खिंचाव के तहत भी पूरी तरह स्थिर रहने के लिए ट्यून किया गया था।
परिणाम आश्चर्यजनक थे। शोधकर्ताओं ने अपने सर्वश्रेष्ठ डिजाइनों का परीक्षण किया और पाया कि वे अपने शुरुआती सबसे रैखिक पदार्थ की तुलना में चार गुना अधिक संवेदनशीलता प्राप्त कर सकते हैं, और साथ ही तीस प्रतिशत खिंचाव पर भी लगभग पूर्ण सीधी-रेखा प्रतिक्रिया बनाए रख सकते हैं। एक अन्य विन्यास में, उन्होंने अपने सबसे संवेदनशील शुरुआती पदार्थ से दस गुना अधिक संवेदनशीलता प्राप्त की, जबकि सिग्नल को विश्वसनीय बनाए रखा। ये संख्याएँ एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो प्रभावी रूप से उन प्रदर्शन संयोजनों को खोलती हैं जिन्हें पहले इस प्रकार की सामग्री के लिए असंभव माना जाता था। टीम ने इस खोज के व्यावहारिक मूल्य को प्रदर्शित करने के लिए नए सेंसरों को एक व्यक्ति के सीने पर लगाकर श्वसन की निगरानी की। सेंसरों ने फेफड़ों के विस्तार और संकुचन को उच्च सटीकता के साथ ट्रैक किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि ये इंजीनियर संरचनाएं वास्तविक दुनिया की गतिशील स्थितियों में विश्वसनीय रूप से काम करती हैं।
यह कार्य स्मार्ट सामग्रियों के डिजाइन के प्रति वैज्ञानिकों के दृष्टिकोण में एक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है। वर्षों से, ध्यान सही गुणों को प्राप्त करने के लिए सही रासायनिक मिश्रण खोजने पर केंद्रित रहा है। यह अध्ययन दिखाता है कि उत्तर स्वयं उसकी वास्तुकला (आर्किटेक्चर) में निहित हो सकता है। यह दर्शाते हुए कि सेंसर को एक समान द्रव्यमान के ब्लॉक के बजाय परस्पर क्रिया करने वाले भागों के नेटवर्क के रूप में देखा जाना चाहिए, शोधकर्ताओं ने इंजीनियरिंग का एक नया मार्ग प्रशस्त किया है। यह पद्धति केवल इस विशिष्ट रबर या इन विशिष्ट कार्बन ट्यूबों तक सीमित नहीं है। समान सिद्धांतों को अन्य सामग्रियों और सेंसरों के अन्य प्रकारों, जैसे कि दबाव या कैपेसिटेंस मापने वाले सेंसरों पर भी लागू किया जा सकता है। इसकी आंतरिक संरचना को व्यवस्थित करके सेंसर के व्यवहार को तर्कसंगत रूप से डिजाइन करने की क्षमता, कोमल रोबोटिक्स और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स की एक नई पीढ़ी के द्वार खोलती है, जिन्हें हृदय की धड़कन का पता लगाने से लेकर रोबोटिक हाथ को निर्देशित करने तक, विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार तैयार किया जा सकता है, बिना संवेदनशीलता बनाम खिंचाव के पुराने समझौतों से बंधे हुए।
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