Energy Storage Characteristics of Leaf and Bioinspired Saddle Shaped Springs for Ankle–Foot Prostheses

चलना ऊर्जा का एक लयबद्ध आदान-प्रदान है। हर कदम के साथ, मानव शरीर यांत्रिक ऊर्जा को संचित करता है जब पैर जमीन पर पड़ता है और अगले कदम को आगे बढ़ाने के लिए इसे मुक्त करता है। जिन लोगों ने अपना पैर या पैर का कोई हिस्सा खो दिया है, उनके लिए कृत्रिम अंगों को इस सूक्ष्म प्रक्रिया की नकल करनी होती है। आज का सबसे सामान्य समाधान एक एकल, घुमावदार मिश्रित सामग्री (कंपोजिट मटेरियल) से बना प्रोस्थेटिक पैर है, जो अक्सर एक पत्ते जैसा दिखता है। यह "लीफ स्प्रिंग" शरीर के वजन के नीचे झुकता है, एक कुंडलित स्प्रिंग की तरह ऊर्जा संचित करता है, और फिर पहनने वाले को आगे बढ़ने में मदद करने के लिए वापस उछलता है। हालांकि ये उपकरण हल्के और प्रभावी हैं, लेकिन इनमें एक मौलिक सीमा है: क्योंकि ये केवल एक दिशा में झुकते हैं, इसलिए तनाव एक संकीले बैंड में केंद्रित हो जाता है। यह स्थानीयकृत खिंचाव (लोकललाइज्ड स्ट्रेन) सामग्री की थकान (मटेरियल फटीग) का कारण बन सकता है और इस बात को सीमित करता है कि उपकरण कितनी सुरक्षित रूप से ऊर्जा को संचित और वापस कर सकता है।

सेंट्रल फ्लोरिडा विश्वविद्यालय और मिसिसिपी स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक बेहतर डिजाइन के लिए प्रकृति की ओर देखा। उन्होंने अपना ध्यान मेंटिस श्रिम्प (mantis shrimp) की ओर लगाया, जो अपने अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली प्रहारों के लिए जाना जाने वाला एक समुद्री शिकारी है। झींगे का क्लब जैसा अंग एक 'सैडल-शेप्ड' (काठी के आकार की) संरचना द्वारा सुदृढ़ होता है जो एक साथ दो दिशाओं में मुड़ा हुआ होता है। यह "डबली कर्व्ड" (दोहरी वक्रता वाली) ज्यामिति शेल को बलों को एक स्थान पर केंद्रित करने के बजाय उसकी पूरी सतह पर वितरित करने की अनुमति देती है। इस जैविक दक्षता से प्रेरित होकर, टीम ने यह देखने के लिए काम किया कि क्या इसी तरह की दोहरी वक्रता वाली आकृति से बना प्रोस्थेटिक पैर पारंपरिक एकल-वक्रता वाले लीफ स्प्रिंग से बेहतर प्रदर्शन कर सकता है। उनका लक्ष्य केवल एक ऐसा पैर बनाना नहीं था जो झुके, बल्कि एक ऐसा पैर बनाना था जो अधिक ऊर्जा संचित करे, लंबे समय तक चले और वास्तविक मानव टखने की तरह अधिक गति करे।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने प्रोस्थेटिक फीट के दो आभासी मॉडल बनाए: एक मानक एकल-वक्रता वाले लीफ डिजाइन का उपयोग करते हुए और दूसरा एक नए, बायो-इंस्पायर्ड सैडल आकार का उपयोग करते हुए। उन्होंने दोनों मॉडलों की सामग्रियों और आयामों को सावधानीपूर्वक समायोजित किया ताकि वे उपयोगकर्ता को समान रूप से सख्त (स्टिफ) महसूस हों, जिससे एक निष्पक्ष तुलना सुनिश्चित हो सके। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने उन्हीं बलों को लागू किया जो एक व्यक्ति चलते समय लगाता है, विशेष रूप से वह दबाव जो तब होता है जब पैर आगे की ओर लुढ़कता है और टखना ऊपर की ओर झुकता है। इसके बाद उन्होंने मापा कि प्रत्येक डिजाइन कितनी ऊर्जा संचित कर सकता है और सामग्री के भीतर आंतरिक तनाव कैसे वितरित होता है।

परिणामों ने दोहरी वक्रता वाले डिजाइन के लिए एक स्पष्ट लाभ दिखाया। जब दोनों स्प्रिंग्स को समान कोण पर मोड़ा गया, तो सैडल-आकार के स्प्रिंग ने पारंपरिक लीफ स्प्रिंग की तुलना में काफी अधिक ऊर्जा संचित की। विशेष रूप से, सामान्य चलने के दौरान उपयोग किए जाने वाले गति के दायरे के भीतर, सैडल डिजाइन ने 16 प्रतिशत अधिक स्ट्रैन एनर्जी (खिंचाव ऊर्जा) को धारण किया। इससे भी अधिक प्रभावशाली इसकी सामग्री की दक्षता थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि सैडल स्प्रिंग पारंपरिक लीफ स्प्रिंग की तुलना में अपने प्रत्येक आयतन (वॉल्यूम) के प्रत्येक इकाई में लगभग तीन गुना अधिक ऊर्जा समाहित कर सकता है। इसका अर्थ यह है कि समान मात्रा में सामग्री के लिए, नया डिजाइन बहुत अधिक कार्य कर सकता है, या इसके विपरीत, यह कम सामग्री के साथ समान प्रदर्शन प्राप्त कर सकता है, जिससे प्रोस्थेटिक हल्का हो जाता है।

कच्ची ऊर्जा संचय से परे, अध्ययन ने इस बात पर भी प्रकाश डाला कि दो आकार तनाव को कैसे संभालते हैं। पारंपरिक लीफ स्प्रिंग में, झुकने के बल से वक्र के मध्य में तनाव का एक तीव्र संकेंद्रण पैदा होता है, जो एक कमजोर बिंदु है जहाँ समय के साथ दरारें शुरू होने की संभावना होती है। इसके विपरीत, सैडल स्प्रिंग ने तनाव को अपनी पूरी सतह पर बहुत समान रूप से वितरित किया। यह समान वितरण यह सुझाव देता है कि नया डिजाइन दैनिक चलने के बार-बार होने वाले घर्षण और टूट-फूट के प्रति कहीं अधिक प्रतिरोधी होगा, जिससे संभावित रूप से यह लंबा चलेगा और उपयोगकर्ता के लिए अधिक विश्वसनीयता प्रदान करेगा। दोहरी वक्रता ने संरचना को झुकने के साथ स्वाभाविक रूप से सख्त होने की अनुमति भी दी, जो इस व्यवहार की नकल करता है कि कैसे एक जैविक टखना जमीन से धक्का देते समय सख्त हो जाता है, जिससे चलने का अधिक प्राकृतिक अनुभव मिलता है।

शोधकर्ताओं ने पारंपरिक लीफ स्प्रिंग के वास्तविक दुनिया के परीक्षणों के विरुद्ध अपने कंप्यूटर मॉडलों को मान्य किया, जिससे पुष्टि हुई कि उनके सिमुलेशन सटीक थे। हालांकि सैडल स्प्रिंग डिजाइन को अभी तक मानव विषय पर बनाया और परीक्षण नहीं किया गया है, सिमुलेशन इस बात का पुख्ता सबूत देते हैं कि यह बायो-इंस्पायर्ड ज्यामिति एक बेहतर यांत्रिक समाधान प्रदान करती है। इस अनूठी दोहरी वक्रता वाली सतह के गुणों का लाभ उठाकर, यह नया दृष्टिकोण प्रोस्थेटिक फीट की अगली पीढ़ी की ओर ले जा सकता है जो न केवल हल्के और अधिक ऊर्जा-कुशल हैं, बल्कि अधिक टिकाऊ और मानव शरीर के प्राकृतिक कार्य के अधिक करीब भी हैं।