A Monolithic Flexible Electromagnetic Interface for Simultaneous Sensing, Actuation, and Closed-Loop Haptic Interaction

मानवीय स्पर्श एक दो-तरफा संवाद है। जब आप किसी खुरदरे पत्थर की बनावट या सिरेमिक कप के चिकने घुमाव को महसूस करने के लिए हाथ बढ़ाते हैं, तो आपकी त्वचा आपके मस्तिष्क को संकेत भेजती है कि आप क्या छू रहे हैं। साथ ही, आपका मस्तिष्क आपकी मांसपेशियों को आपकी पकड़, आपके दबाव और आपकी गति को समायोजित करने के निर्देश वापस भेजता है। संवेदन और क्रिया का यह निरंतर चक्र सूक्ष्म और कुशल नियंत्रण की अनुमति देता है। मशीनों को मनुष्यों के साथ उतनी ही सहजता से बातचीत करने के लिए, जैसा कि हम एक-दूसरे के साथ करते हैं, इसी प्रकार के दो-तरफा प्रवाह की आवश्यकता है। उन्हें वह महसूस करने में सक्षम होना चाहिए जिसे वे छूते हैं और, उतना ही महत्वपूर्ण रूप से, एक शारीरिक प्रतिक्रिया प्रदान करनी चाहिए जिसे मनुष्य महसूस कर सके। हालाँकि वैज्ञानिकों ने इलेक्ट्रॉनिक त्वचा बनाने में बड़ी प्रगति की है जो दबाव, बनावट और तापमान को महसूस कर सकती है, लेकिन उन स्किनों को सक्रिय रूप से पीछे धकेलने या इस तरह से कंपन करने की क्षमता देना जो स्वाभाविक और आरामदायक महसूस हो, एक महत्वपूर्ण बाधा बना हुआ है।

चुनौती वर्तमान तकनीक की भौतिक प्रकृति में निहित है। अधिकांश उपकरण जो महसूस भी कर सकते हैं और कार्य (एक्चुएट) भी कर सकते हैं, कठोर भागों या भारी यांत्रिक संरचनाओं से बने होते हैं जो उन्हें पहनने में असु nyaman बनाते हैं या मानव त्वचा जैसी नरम, चलती सतहों पर फिट होने के लिए असंभव बना देते हैं। इन कार्यों को संयोजित करने के अन्य प्रयास अक्सर संवेदन और गति वाले भागों को अलग कर देते हैं, जो दोनों के बीच हस्तक्षेप पैदा करता है, ठीक वैसे ही जैसे एक तेज़ लाउडस्पीकर के बगल में खड़े होकर फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करना। इसे हल करने के लिए, बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और पेकिंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का इंटरफ़ेस विकसित किया है जो पूरी तरह से लचीला है और एक एकल, एकीकृत टुकड़े के रूप में निर्मित है। यह उपकरण एक स्पर्श को महसूस कर सकता है और तुरंत प्रतिक्रिया में कंपन कर सकता है, और यह सब एक पतली, त्वचा जैसी परत के भीतर होता है जो मानव शरीर की तरह हिलती और मुड़ती है।

इस नवाचार का मूल एक मोनोलिथिक (एकल-खंडीय) डिज़ाइन है, जिसका अर्थ है कि संवेदन और गति वाले घटकों को अलग-अलग टुकड़ों से जोड़ने के बजाय एक सहज इकाई के रूप में लंबवत रूप से व्यवस्थित किया गया है। एक छोटे, लचीले सैंडविच की कल्पना करें जहाँ भरावन (फिलिंग) एक स्थायी चुंबक है और ब्रेड के स्लाइस पतले, लचीले सर्किट हैं। जब आप इस उपकरण को दबाते हैं, तो चुंबक सर्किट के अंदर थोड़ा सा हिलता है, जिससे एक विद्युत संकेत उत्पन्न होता है जो सिस्टम को बताता है कि आप कितनी जोर से दबाव डाल रहे हैं। यह संवेदन वाला भाग है। इसके विपरीत, जब सिस्टम वापस संदेश भेजना चाहता है, तो यह सर्किट के माध्यम से एक विद्युत धारा भेजता है, जो चुंबक के साथ परस्पर क्रिया करती है और एक भौतिक बल पैदा करती है जो पूरे यूनिट को कंपन कराती है। यह एक्चुएशन (क्रिया) वाला भाग है। क्योंकि चुंबक और सर्किट एक ही लचीली संरचना का हिस्सा हैं, इसलिए उपकरण भारी, कठोर भागों के बिना दोनों कार्य कर सकता है जो आमतौर पर बीच में बाधा बनते हैं।

शोधकर्ताओं ने इन इकाइयों के एक छोटे ग्रिड को बनाया, जिसे तीन-बाय-तीन पैटर्न में व्यवस्थित किया गया, ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि वे एक साथ कितनी अच्छी तरह काम करते हैं। उन्होंने पाया कि यह उपकरण उल्लेखनीय रूप से संवेदनशील है, जो एक हल्के स्पर्श से लेकर एक मजबूत दबाव तक के बल का पता लगाने में सक्षम है, जो शून्य से तीस न्यूटन की सीमा को कवर करता है। जब यह एक सेंसर के रूप में कार्य करता है, तो यह तेजी से प्रतिक्रिया करता है, सोलह मिलीसेकंड से कुछ अधिक समय में स्पर्श को दर्ज करता है। जब यह एक एक्चुएटर के रूप में कार्य करता है, तो यह इतने विस्थापन के साथ कंपन कर सकता है जिसे मानव त्वचा द्वारा स्पष्ट रूप से महसूस किया जा सके। महत्वपूर्ण रूप से, यह उपकरण लगभग 125 हर्ट्ज़ की आवृत्ति पर संचालित होता है, जो उन कंपनों की सीमा के साथ पूरी तरह मेल खाता है जिनके प्रति मानव स्पर्श रिसेप्टर्स सबसे अधिक संवेदनशील होते हैं। इसका मतलब है कि फीडबैक स्वाभाविक और विशिष्ट महसूस होता है, न कि एक सुस्त भिनभिनाहट।

इस कार्य की एक सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धि यह है कि यह उपकरण हस्तक्षेप की समस्या को कितनी अच्छी तरह संभालता है। कई संयुक्त प्रणालियों में, वे विद्युत संकेत जो उपकरण को कंपन कराने के लिए उपयोग किए जाते हैं, गलती से सेंसरों को सक्रिय कर सकते हैं, जिससे शोर का एक भ्रमित करने वाला मिश्रण पैदा होता है जो यह बताने में कठिन बना देता है कि स्पर्श वास्तविक है या केवल एक त्रुटि। शोधकर्ताओं ने इसे डिजाइन करके हल किया है कि गतिशील भाग अलग-लिटे हुए हैं और एक सॉफ्टवेयर रणनीति का उपयोग करके जो डिवाइस के कंपन करने के दौरान संवेदन प्रणाली को अस्थायी रूप से रोक देती है। यह सुनिश्चित करता है कि उपकरण केवल तभी स्पर्श को दर्ज करता है जब वास्तव में उसे छुआ जा रहा हो, न कि तब जब वह वापस बोलने की कोशिश कर रहा हो। अपने परीक्षणों में, उपकरण ने एकल स्पर्श और एक ही समय में होने वाले कई स्पर्शों के बीच सफलतापूर्वक अंतर किया, जिसमें ग्रिड के विभिन्न बिंदुओं के बीच लगभग कोई भ्रम नहीं था।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह तकनीक वास्तविक दुनिया के परिवेश में काम करती है, टीम ने लचीले ग्रिड को एक कंप्यूटर और एक रोबोटिक आर्म से जोड़ा। एक प्रदर्शन में, एक उपयोगकर्ता ने ग्रिड के विभिन्न स्थानों को दबाया, और सिस्टम ने तुरंत उन स्पर्शों को कमांड में बदल दिया जिसने रोबोटिक आर्म को अंतरिक्ष में संबंधित स्थानों पर स्थानांतरित किया। एक अन्य परीक्षण में, उन्होंने एक सरल खेल बनाया जहाँ स्क्रीन पर आभासी लक्ष्य दिखाई देते थे। जब उपयोगकर्ता ने ग्रिड के मिलान वाले स्थान को दबाया, तो उपकरण तुरंत उनकी उंगली के नीचे कंपन हुआ, जिससे क्रिया की पुष्टि हुई। बटन दबाने से लेकर कंपन महसूस करने तक की पूरी प्रक्रिया में लगभग 32 मिलीसेकंड लगे। यह गति इतनी तेज़ है कि इसे मनुष्य के लिए तात्कालिक महसूस होता है, जिससे एक निर्बाक चक्र बनता है जहाँ उपयोगकर्ता वास्तविक समय में मशीन के साथ जुड़ा हुआ महसूस करता है।

इस कार्य के निहितार्थ साधारण खेलों या रिमोट कंट्रोल से कहीं आगे तक विस्तृत हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इस तरह की तकनीक प्रोस्थेटिक्स (कृत्रिम अंग) के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण हो सकती है, जिससे अपंग व्यक्तियों को उनके द्वारा पकड़ी गई वस्तुओं की बनावट को महसूस करने और इस बात का फीडबैक प्राप्त करने में मदद मिल सके कि वे कितनी मजबूती से पकड़ बना रहे हैं। यह मेडिकल रोबोटिक्स में भी सुधार कर सकता है, जिससे सर्जनों को दूर से नाजुक प्रक्रियाएं करते समय स्पर्श की अनुभूति मिल सके। एक ऐसा सिस्टम बनाकर जो कोमल, लचीला और महसूस करने तथा कार्य करने में सक्षम है, यह शोध ऐसी मशीनों की ओर एक नया मार्ग प्रशस्त करता है जो मानव जगत के साथ उतनी ही सहजता से बातचीत कर सकें जैसे हम एक-दूसरे के साथ करते हैं। यह उपकरण केवल एक सेंसर या मोटर नहीं है; यह एक सेतु है जो डिजिटल और भौतिक के बीच की खाई को पाटता है, जिससे मानव और मशीन के बीच एक वास्तविक संवाद संभव होता है।