PIV-Based Study on the Aerodynamic Interaction Mechanism of Dragonfly-like Tandem Flapping Wings with Phase Difference

नन्हे उड़ने वाले यंत्रों की दुनिया में, इंजीनियर अक्सर सबसे कुशल डिजाइनों के लिए प्रकृति की ओर देखते हैं। जंतु जगत में सबसे सफल उड़ने वाले जीवों में से एक ड्रैगनफ्लाई (व्याध पतंग) है, जिसने लाखों वर्षों से हवा पर अपना प्रभुत्व जमाया है। पक्षियों या चमगादड़ों के विपरीत, जिनके पास पंखों का एक ही जोड़ा होता है, ड्रैगनफ्लाई के पास दो जोड़े होते हैं: एक अगला सेट और एक पिछला सेट। ये पंख केवल ऊपर और नीचे नहीं फड़फड़ाते; वे एक-दूसरे से स्वतंत्र रूप से चल सकते हैं, जिससे कीट को अविश्वसनीय सटीकता के साथ मंडराने, तेजी से झपटने और मुड़ने की अनुमति मिलती है। इस चपलता का रहस्य इस बात में निहित है कि अगले और पिछले पंखों की गति एक-दूसरे से कैसे संबंधित है। जब पंख पूर्ण तालमेल में चलते हैं, या जब वे विपरीत दिशाओं में चलते हैं, तो उनके चारों ओर बहने वाली हवा जटिल तरीकों से बदल जाती है। यह समझना कि यह समय (timing) कीट को हवा में बनाए रखने वाले बलों को कैसे प्रभावित करता है, वैज्ञानिकों के लिए एक प्रमुख लक्ष्य है जो अपने स्वयं के लघु उड़ने वाले रोबोट डिजाइन कर रहे हैं। यदि इंजीनियर इन प्राकृतिक युक्तियों की नकल कर सकें, तो वे ऐसे ड्रोन बना सकते हैं जो तंग स्थानों में नेविगेट करने, बचाव मिशन करने या उन नाजुक वातावरणों की निगरानी करने में सक्षम हों, जहाँ वर्तमान तकनीक संघर्ष करती है।

इस हवाई महारत के रहस्यों को उजागर करने के लिए, चीन में बेइहांग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह मापने के लिए कि दो पंखों के बीच का समय अंतराल उनके द्वारा उत्पन्न लिफ्ट (उठाव बल) को कैसे बदलता है। उन्होंने एक असली कीट के आकार से पांच गुना बड़े, ड्रैगनफ्लाई के पंखों का एक बड़ा मॉडल बनाया और उसे पानी के एक टैंक में रखा। हवा के बजाय पानी का उपयोग करने से उन्हें भौतिक विज्ञान को समान रखते हुए गति को काफी धीमा करने में मदद मिली। यह तकनीक, जिसे 'डायनामिक स्केलिंग' कहा जाता है, का अर्थ था कि वे उच्च गति वाले कैमरों के साथ तरल के अदृश्य भंवरों और धाराओं को देख सकते थे। शोधकर्ताओं ने मॉडल पंखों को एक परिष्कृत यांत्रिक प्रणाली से जोड़ा जो उन्हें ऊपर-नीचे फड़फड़ा सकती थी और प्रत्येक पंख के घूर्णन (rotation) को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकती थी। महत्वपूर्ण रूप से, वे 'फेज डिफरेंस' (phase difference) को समायोजित कर सकते थे, जो सरल शब्दों में अगले पंख की गति और पिछले पंख की गति के बीच का समय अंतराल है। इस अंतराल को शून्य डिग्री (जहाँ पंख एक साथ चलते हैं) से लेकर एक सौ डिग्री (जहाँ वे विपरीत दिशाओं में चलते हैं) तक बदलकर, वे हर संभव समय संयोजन का परीक्षण कर सके।

टीम को अपने प्रयोग में एक बड़ी चुनौती का सामना करना पड़ा: दो चलते हुए पंखों के चारों ओर पानी के अदृश्य प्रवाह को मापना। जब उन्होंने पानी के माध्यम से सूक्ष्म कणों को रोशन करने और प्रवाह को ट्रैक करने के लिए लेजर शीट चमकाने की कोशिश की, तो पंखों ने अक्सर प्रकाश को बाधित किया या दृश्य को विकृत कर दिया, जिससे डेटा में अंतराल पैदा हो गया। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक चतुर रणनीति विकसित की। उन्होंने पहले संवेदनशील सेंसरों का उपयोग करके सभी समय संयोजनों में पंखों द्वारा उत्पन्न कुल लिफ्ट बल को मापा। एक बार जब उन्होंने उन विशिष्ट क्षणों की पहचान कर ली जहाँ लिफ्ट सबसे अधिक और सबसे कम थी, तो उन्होंने अपने कैमरे और लेजर सेटअप को निर्देशित करने के लिए उस जानकारी का उपयोग किया। पूरे प्रवाह क्षेत्र को एक साथ कैप्चर करने के बजाय, उन्होंने अपने कैमरों को विशिष्ट, स्पष्ट क्षणों और पंखों के उन विशिष्ट हिस्सों पर केंद्रित किया जहाँ दृश्य बाधित नहीं था। इसने उन्हें चलते हुए पंखों के हस्तक्षेप के बिना पानी की गति की एक विश्वसनीय तस्वीर जोड़ने की अनुमति दी।

उनके मापन के परिणामों ने इस बात का खुलासा किया कि पंख आपस में कैसे क्रिया करते हैं। जब आगे और पीछे के पंख लगभग पूर्ण तालमेल में फड़फड़ाते थे, तो जोड़ी द्वारा उत्पन्न कुल लिफ्ट सबसे मजबूत होती थी। इस सिंक्रोनाइज्ड मोड में, दोनों पंख एक ही समय में नीचे की ओर बढ़ते हैं, जिससे पानी को एक साथ नीचे धकेला जाता है। इस संयुक्त क्रिया ने एक शक्तिशाली नीचे की ओर धारा, या 'इंड्यूस्ड फ्लो' (induced flow) बनाई, जिसने पंखों के लिए लिफ्ट उत्पन्न करना आसान बना दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि पिछला पंख इस समय अंतराल के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील था; जब पंख तालमेल से बाहर होते थे, तो उसकी लिफ्ट उत्पन्न करने की क्षमता काफी कम हो जाती थी। इसके विपरीत, जब पंख विपरीत दिशाओं में चलते थे—एक नीचे जा रहा होता है जबकि दूसरा ऊपर जा रहा होता है—तो कुल लिफ्ट अपने न्यूनतम स्तर पर पहुँच जाती थी। इस परिदृश्य में, एक पंख का नीचे की ओर धक्का दूसरे के ऊपर की ओर खिंचाव द्वारा आंशिक रूप से रद्द कर दिया जाता था। पंखों के बीच का पानी का प्रवाह अराजक और कम प्रभावी हो जाता था, जिससे समग्र बल कमजोर हो जाता था।

उच्च गति वाले वीडियो में कैप्चर किए गए प्रवाह क्षेत्रों (flow fields) को करीब से देखकर, शोधकर्ता देख सके कि ऐसा क्यों हुआ। जब पंख एक साथ चलते थे, तो सामने वाले पंख के पीछे और पिछले पंख के सामने स्वाभाविक रूप से बनने वाले पानी के भंवर (vortices) एक साथ नीचे की ओर धकेले जाते थे। इस संयुक्त क्रिया ने नीचे की ओर होने वाले प्रवाह को मजबूत किया, जिससे लिफ्ट बढ़ गई। हालाँकि, जब पंख विरोध में चलते थे, तो एक की ऊपर की ओर गति दूसरे की नीचे की ओर गति में बाधा डालती थी। वे भंवर जो आमतौर पर लिफ्ट उत्पन्न करने में मदद करते हैं, बाधित हो जाते थे या पंखों की सतहों से दूर धकेल दिए जाते थे, जिससे उनकी प्रभावशीलता कम हो जाती थी। अध्ययन ने पुष्टि की कि इन परिवर्तनों के पीछे प्राथमिक तंत्र 'इंड्यूस्ड-फ्लो इफेक्ट' (induced-flow effect) था: एक पंख की गति दूसरे पंख के आसपास की हवा (या पानी) की गति और दिशा को सीधे बदल देती है।

ये निष्कर्ष इस बात का ठोस स्पष्टीकरण प्रदान करते हैं कि ड्रैगनफ्लाई अपनी उड़ान को कैसे नियंत्रित करते हैं। कीट को तब अधिकतम लिफ्ट की आवश्यकता होती है, जैसे कि टेकऑफ या तीव्र त्वरण के दौरान, जब वह अपने पंखों को तालमेल में फड़फड़ाने का विकल्प चुन सकता है, और ऊर्जा बचाने या अपनी स्थिति को स्थिर करने के लिए तालमेल से बाहर की लय में स्विच कर सकता है। उड़ने वाले रोबोट डिजाइन करने वाले इंजीनियरों के लिए, यह शोध एक व्यावहारिक मार्गदर्शिका प्रदान करता है। लिफ्ट को अधिकतम करने के लिए, पंखों के समय को एक साथ रखा जाना चाहिए। लिफ्ट को कम करने या दिशा बदलने के लिए, समय को बदला जा सकता है। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने कीट उड़ान के सभी रहस्यों को सुलझा लिया है, लेकिन यह इस बात का सीधा, प्रयोगात्मक प्रमाण प्रदान करता है कि दो पंखों के बीच का समय उनके द्वारा उत्पन्न बलों को कैसे निर्धारित करता है। इस सरल लेकिन शक्तिशाली संबंध को समझकर, अगली पीढ़ी के बायो-इंस्पायर्ड (जैव-प्रेरित) ड्रोन भी उसी गरिमा और दक्षता के साथ उड़ सकेंगे, जिसके लिए उन्हें प्रेरित करने वाले ड्रैगनफ्लाई उत्तरदायी हैं।