Zero-Storage Spatiotemporal Key Generation with Adiabatic Charge-Recovery Logic for Resilient Flapping-Wing Microrobotics
यह शोध पत्र एक शून्य-भंडारण माइक्रोरोबोटिक आर्किटेक्चर प्रस्तुत करता है जो गैर-अस्थिर मेमोरी (नॉन-वोलेटाइल मेमोरी) की कमजोरियों को समाप्त करने के साथ-साथ फ्लैपिंग-विंग माइक्रो एयर व्हीकल की शक्ति अपव्यय को महत्वपूर्ण रूप से कम करने और उनके स्थायित्व को बढ़ाने के लिए पदानुक्रमित स्थानिक-कालिक कुंजी निर्माण (Hierarchical Spatiotemporal Key Generation) को एडियाबेटिक चार्ज-रिकवरी लॉजिक के साथ एकीकृत करता है।
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मक्खी और भृंग जैसे कीटों की नकल करने वाले छोटे उड़ने वाले रोबोट, निगरानी और खोज एवं बचाव मिशनों में एक नई सीमा का प्रतिनिधित्व करते हैं। ये मशीनें इतनी छोटी हैं कि इनका वजन कागज के एक एकल पन्ने से भी कम है, फिर भी इन्हें जटिल वातावरण में नेविगेट करने के लिए अपने स्वयं के ऊर्जा स्रोत, पंख और मस्तिष्क को ले जाना पड़ता है। इन उपकरणों के लिए सबसे बड़ी चुनौती ऊर्जा है। क्योंकि ये बहुत हल्के हैं, इनमें बैटरी के लिए लगभग कोई जगह नहीं है, और पंख फड़फड़ाने के लिए आवश्यक ऊर्जा उनके पास मौजूद लगभग सब कुछ खर्च कर देती है। इससे अंदर के कंप्यूटर के सोचने, संवाद करने या सुरक्षित रहने के लिए बहुत कम शक्ति बचती है। इसके अलावा, यदि कोई दुश्मन इनमें से किसी रोबोट को पकड़ लेता है, तो पारंपरिक सुरक्षा विधियाँ विफल हो जाती हैं। मानक कंप्यूटर स्थायी मेमोरी में गुप्त कोड संग्रहीत करते हैं, जिसे एक हमलावर आसानी से पढ़ सकता है यदि वह रोबोट के पुर्जों को अलग कर दे। इन सूक्ष्म मशीनों के लिए, बड़े ड्रोन में उपयोग की जाने वाली भारी, ऊर्जा-खपत करने वाली सुरक्षा प्रणालियों के लिए कोई स्थान नहीं है, जो उड़ने की आवश्यकता और सुरक्षित रहने की आवश्यकता के बीच एक खतरनाक अंतर पैदा करता है।
शोधकर्ताओं ने अब इस समस्या को हल करने के लिए एक तरीका प्रस्तावित किया है कि रोबोट कैसे सोचता है और याद रखता है। स्थायी मेमोरी चिप में गुप्त कोड संग्रहीत करने के बजाय, नई प्रणाली हर क्षण एक अद्वितीय सुरक्षा कुंजी उत्पन्न करती है जो इस बात पर आधारित होती है कि रोबोट कहाँ है और समय क्या है। यह दृष्टिकोण, जिसे 'हाइरार्किकल स्पैटियोटेम्पोरल की जनरेशन' (hierarchical spatiotemporal key generation) कहा जाता है, का अर्थ है कि रोबोट को कुछ भी याद रखने की आवश्यकता नहीं है। यह बस अपने वर्तमान स्थान और समय को देखता है, एक त्वरित गणना करता है, और अपने संदेशों को लॉक करने के लिए एक नया कोड बनाता है। क्योंकि कोड मौके पर ही बनाया जाता है और कभी भी लिखा नहीं जाता, इसलिए चुराने के लिए वहां कुछ भी नहीं होता। यदि रोबोट को पकड़ लिया जाता है या उसकी बिजली काट दी जाती है, तो गुप्त कोड तुरंत गायब हो जाता है, जिससे हमलावर के पास खाली सिलिकॉन के अलावा कुछ नहीं बचता।
इसे संभव बनाने के लिए, टीम ने एक पूरी तरह से नए प्रकार का कंप्यूटर चिप बनाया है जिसमें कोई स्थायी स्टोरेज नहीं है। एक मानक कंप्यूटर में, डेटा फ्लैश मेमोरी या इसी तरह के चिप्स में सहेजा जाता है जो बिजली बंद होने पर भी जानकारी को बनाए रखते हैं। यह नया डिज़ाइन उन चिप्स को पूरी तरह से हटा देता है। रोबोट का मस्तिष्क केवल अस्थायी, वोलेटाइल (volatile) मेमोरी से बना है जो एक सेकंड के अंश के लिए डेटा रखता है और फिर गायब हो जाता है। शोधकर्ताओं ने इस "जीरो-स्टोरेज" डिज़ाइन को बिजली प्रसंस्करण के एक विशेष तरीके "एडियाबेटिक चार्ज-रिकवरी लॉजिक" (adiabatic charge-recovery logic) के साथ जोड़ा। सामान्य इलेक्ट्रॉनिक्स में, कंप्यूटर को चालू और बंद करने से गर्मी के रूप में बहुत अधिक ऊर्जा बर्बाद होती है। यह नई प्रणाली उस ऊर्जा को रीसायकल करती है, उसे वापस सर्किट में धकेलती है ताकि उसका पुन: उपयोग किया जा सके, ठीक वैसे ही जैसे एक झूला ज़ोरदार धक्के के बजाय एक हल्के धक्के से गति प्राप्त करता है। यह रीसाइक्लिंग प्रक्रिया रोबोट को पारंपरिक तरीकों की तुलना में बहुत कम बिजली का उपयोग करके जटिल सुरक्षा गणनाएं करने की अनुमति देती है।
इन सूक्ष्म मशीनों की सख्त सीमाओं के विरुद्ध मापे जाने पर इस डिज़ाइन के परिणाम नाटकीय हैं। सिमुलेशन में, नई प्रणाली ने कंप्यूटर प्रसंस्करण के दौरान बर्बाद होने वाली ऊर्जा को 80 प्रतिशत से अधिक कम कर दिया। इसने रोबोट को बेस स्टेशन से जवाब सुनने और प्रतीक्षा करने की आवश्यकता को भी समाप्त कर दिया, एक ऐसी प्रक्रिया जो आमतौर पर बैटरी को खाली कर देती है। संदेशों को एक एकल, तेज़ विस्फोट (burst) में भेजकर, बिना किसी आगे-पीछे की बातचीत के, सिस्टम ने वायरलेस संचार के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा को लगभग 80 प्रतिशत कम कर दिया। जब इन बचतों को 100-मिलीग्राम के रोबोट के मॉडल पर लागू किया गया, तो उड़ान के समय में अंतर काफी बड़ा था। उन स्थितियों में जहाँ रोबोट के झुंड को आपस में टकराने से बचने के लिए बार-बार समन्वय करने की आवश्यकता थी, नए सिस्टम ने रोबोट को 13.8 मिनट तक हवा में स्थिर (hover) रहने की अनुमति दी। इसके विपरीत, मानक सुरक्षा विधियों का उपयोग करने वाला रोबोट बिजली खत्म होने से पहले केवल 5.2 मिनट तक ही उड़ सका।
सुरक्षा लाभ ऊर्जा बचत जितने ही महत्वपूर्ण हैं। चूंकि रोबोट के पास कोई स्थायी रहस्य नहीं है, इसलिए यह भौतिक छेड़छाड़ के विरुद्ध स्वाभाविक रूप से सुरक्षित है। यदि कोई हमलावर रोबोट को पकड़ने, उसकी बिजली काटने या उसे उसके निर्धारित उड़ान क्षेत्र से बाहर निकालने की कोशिश करता है, तो सिस्टम तुरंत उसकी मेमोरी से शेष विद्युत आवेश को एक नैनोसेकंड से भी कम समय में निकाल देता है। यह तीव्र डिस्चार्ज सुनिश्चित करता है कि रोबोट के मिशन या उसके नेटवर्क कनेक्शन के बारे में कोई भी जानकारी तुरंत शून्य हो जाए। इसमें जटिल आत्म-विनाश तंत्र या भारी सुरक्षात्मक आवरणों की आवश्यकता नहीं है, जिन्हें ये नन्ही रोबोट ढो नहीं सकते। सुरक्षा इस तथ्य से आती है कि बिजली जाने के बाद जानकारी का अस्तित्व ही नहीं रहता।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि आकार और शक्ति की चरम सीमाएं सुरक्षा के त्याग का कारण नहीं बननी चाहिए। यह विचार बदलकर कि एक रोबोट को अपने रहस्यों को सुरक्षित रखने के लिए उन्हें संग्रहीत करना चाहिए, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि एक रोबोट केवल अपनी क्षणभंगुरता (ephemeral) से सुरक्षित हो सकता है। सिस्टम डेटा के भंडारण के बजाय समय और स्थान की निश्चितता पर निर्भर करता है। हालांकि वर्तमान निष्कर्ष विस्तृत सिमुलेशन और सर्किट मॉडल पर आधारित हैं, वे स्वायत्त झुंडों की एक नई पीढ़ी के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। ये छोटी मशीनें एक दिन घने समूहों में काम कर सकती हैं, सूचना साझा कर सकती हैं और टकरावों से बच सकती हैं, बिना एक भी रहस्य संग्रहीत किए, जिससे उनका मिशन सुरक्षित रहता है भले ही उन्हें शारीरिक रूप से पकड़ लिया जाए।
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