Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

प्रकृति ने लंबे समय से विभिन्न दुनियाओं के बीच आवाजाही करने की कला में महारत हासिल की है। वॉटर स्ट्राइडर और व्हर्लिगिग बीटल जैसे कीट एक तालाब की सतह पर दौड़ सकते हैं और फिर बिना अपने पैरों या चलने के तरीके को बदले कीचड़ वाले किनारे पर भी चढ़ सकते हैं। वे पानी के विरुद्ध और मिट्टी के विरुद्ध धक्का देने के लिए उन्हीं अंगों का उपयोग करते हैं, और भारी काम करने के लिए अपने परिवेश के भौतिक विज्ञान पर निर्भर रहते हैं। उन इंजीनियरों के लिए जो उसी तरह के छोटे मशीन बनाने की कोशिश कर रहे हैं, यह जैविक युक्ति एक कठिन पहेली रही है। एक ऐसी छोटी मशीन बनाना जो जेब में समा सके—विशेष रूप से, पाँच सेंटीमीटर से कम लंबी—अपने आप में एक कठिन कार्य है। उसी मशीन को सूखे ज़मीन और पानी की सतह दोनों पर तेज़ी से और फुर्ती से चलाने के लिए बनाना, जबकि उसमें अपनी बैटरी और मस्तिष्क (प्रोसेसर) भी हो, लगभग असंभव लगता आया है। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि भूमि और जल दोनों बहुत अलग प्रकार की गति की मांग करते हैं; जो चीज़ मिट्टी पर दौड़ने के लिए काम करती है वह अक्सर तैरने में विफल रहती है, और इसके विपरीत भी। आमतौर पर, इसे हल करने के लिए जटिल मशीनों की आवश्यकता होती है जिनमें चलने वाले कई हिस्से होते हैं, जो कीट के आकार के ढांचे में फिट होने के लिए बहुत भारी और बड़े होते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा समाधान विकसित किया है जो इस समझौते को चुनौती देता है। उन्होंने एक अनटेदर (बिना तार वाला), कीट-आकार का उभयचर रोबोट बनाया है जो केवल 2.1 सेंटीमीटर लंबा है और जिसका वजन केवल 1.69 ग्राम है। यह नन्हा यंत्र उल्लेखनीय गति के साथ ज़मीन पर दौड़ सकता है और पानी की सतह पर तैर सकता है, और यह सब अपना स्वयं का ऊर्जा स्रोत और वायरलेस नियंत्रण प्रणाली लेकर। इसकी सफलता का रहस्य एक एकल, चतुर गति पैटर्न है जो दोनों वातावरणों में काम करता है। तैरने और दौड़ने के लिए अलग-अलग पैरों का उपयोग करने के बजाय, रोबोट एक ही सेट एक्चुएटर्स का उपयोग करता है जो एक जोड़ी अंगों को संचालित करते हैं जो दौड़ने वाले पैर और तैरने वाले पैडल दोनों के रूप में कार्य करते हैं। इन अंगों को एक विशिष्ट, असममित लय में कंपन (vibrate) कराकर, रोबोट बिना अपने हार्डवेयर या चाल को बदले, ज़मीन और पानी पर आगे की गति उत्पन्न करता है।

रोबोट का डिज़ाइन इस बात से प्रेरित है कि व्हर्लिगिग बीटल कैसे तैरते हैं। इन भृंगों (beetles) के पैर पीछे की ओर धक्का देते समय पानी को पकड़ने के लिए चौड़े फैल जाते हैं, लेकिन आगे बढ़ते समय प्रतिरोध को कम करने के लिए कसकर सिमट जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इस व्यवहार की नकल रोबोट के अगले पैर से जुड़े एक तैराकी पैडल के माध्यम से की है। यह पैडल एक विशेष हिंज (कब्जे) से जुड़ा है जो इसे एक दिशा में स्वतंत्र रूप से झूलने देता है लेकिन दूसरी दिशा में स्थिर कर देता है। जब रोबोट कंपन करता है, तो पैडल 'पावर स्ट्रोक' के दौरान चौड़ा होकर पानी को धक्का देता है, जिससे एक मजबूत आगे की थ्रस्ट पैदा होती है। वापसी के स्ट्रोक पर, पैडल सिमट जाता है, जिससे वह न्यूनतम ड्रैग (घर्षण) के साथ पानी को काटते हुए निकलता है। यह एक शुद्ध धक्का पैदा करता है जो रोबोट को आगे बढ़ाता है। ज़मीन पर, वही कंपन पैटर्न अलग तरह से काम करता है। रोबोट का शरीर थोड़ा झुका हुआ होता है, इसलिए जब पैर पीछे की ओर जाता है, तो वह रोबोट को आगे धकेलने के लिए ज़मीन से ज़ोर से टकराता है। जब वह आगे की ओर आता है, तो वह थोड़ा ऊपर उठता है, जिससे घर्षण से बचा जा सके। यह सरल, एक-तरफा गति रोबोट को बिल्कुल एक ही मैकेनिकल सेटअप का उपयोग करके दौड़ने और तैरने की अनुमति देती है।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह अवधारणा वास्तविक दुनिया में काम करती है, टीम ने एक प्रोटोटाइप बनाया और नियंत्रित वातावरण में इसका परीक्षण किया। उन्होंने रोबोट को एक छोटी लिथियम बैटरी और एक वायरलेस कंट्रोल सर्किट से लैस किया, जिससे यह पूरी तरह से आत्मनिर्भर बन गया। प्लास्टिक की सतह पर परीक्षणों में, रोबोट ने 32.5 सेंटीमीटर प्रति सेकंड की शीर्ष गति प्राप्त की, जो कि इसकी अपनी शारीरिक लंबाई का लगभग 15.5 गुना प्रति सेकंड है। पानी पर, इसने 11.3 सेंटीमीटर प्रति सेकंड, या प्रति सेकंड 5.4 शारीरिक लंबाई प्राप्त की। ये गति इस आकार के किसी भी अन्य अनटेदर रोबोट द्वारा अब तक प्रबंधित की गई गति से काफी अधिक है। रोबोट ने प्रभावशाली चपलता भी प्रदर्शित की, जो ज़मीन पर प्रति सेकंड 760 डिग्री और पानी पर 450 डिग्री की दर से मुड़ने में सक्षम था। यह तैरते हुए बाधाओं के चारों ओर नेविगेट कर सका, हल्के मलबे को हटा सका, और ज़मीन से पानी पर और वापस जाने के लिए एक हल्की ढलान पर चढ़ने में भी सक्षम रहा।

शोधकर्ताओं ने केवल परीक्षण और त्रुटि (trial and error) पर भरोसा नहीं किया; उन्होंने यह समझने के लिए कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया कि रोबोट वास्तव में कैसे चलता है। उन्होंने पाया कि रोबोट की गति उसके कंपनों की आवृत्ति (frequency) पर बहुत अधिक निर्भर करती है। जब कंपन की आवृत्ति रोबोट की संरचना की प्राकृतिक अनुनाद (resonance) से मेल खाती है, तो गति सबसे कुशल हो जाती है, जिससे अधिकतम संभव गति उत्पन्न होती है। उन्होंने यह भी खोजा कि तैराकी पैडल का आकार और हिंज की कठोरता महत्वपूर्ण कारक थे। यदि पैडल बहुत बड़ा या हिंज बहुत सख्त होता, तो रोबोट उतनी तेज़ी से नहीं चल पाता। इन विवरणों को सूक्ष्मता से ट्यून करके, उन्होंने डिज़ाइन को अनुकूलित किया ताकि यह अपने शिखर प्रदर्शन को सुनिश्चित कर सके। अध्ययन पुष्टि करता है कि एक ऐसी मशीन बनाना संभव है जो अविश्वसनीय रूप से छोटी और अविश्वसनीय रूप से तेज़ दोनों हो, बशर्ते वह एक ऐसा गति रणनीति अपनाए जो हवा और पानी दोनों के भौतिकी का सम्मान करती हो।

यह उपलब्धि माइक्रो-रोबोटिक्स के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति है। अब तक, ज़मीन और पानी पर चलने वाले अधिकांश छोटे रोबोट या तो बहुत धीमे, बहुत बड़े थे या उन्हें बिजली की आपूर्ति के लिए तार की आवश्यकता थी। यह नया रोबोट दिखाता है कि एक सरल तंत्र दो अलग-अलग दुनियाओं की जटिल मांगों को संभाल सकता है। यह उन भविष्य की मशीनों के द्वार खोलता है जो आपदा क्षेत्रों का पता लगा सकती हैं, बाढ़ वाले क्षेत्रों में जीवित बचे लोगों की तलाश कर सकती हैं, या पारिस्थितिकी तंत्र को बाधित किए बिना नाजुक पारिस्थितिक तंत्र की निगरानी कर सकती हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उनका वर्तमान रोबोट चिकनी सतहों पर अच्छा काम करता है, भविष्य के संस्करणों को रेत या घास जैसी ऊबड़-खाबड़ सतहों के अनुकूल होने की आवश्यकता होगी। वे इसमें विजुअल सेंसर भी जोड़ने की योजना बना रहे हैं ताकि रोबोट मानव नियंत्रण के बिना स्वयं नेविगेट कर सके। फिलहाल, हालांकि, 2.1 सेंटीमीटर के रोबोट द्वारा उच्च गति से दौड़ने और तैरने का प्रदर्शन इस बात का स्पष्ट प्रमाण है कि प्रकृति की युक्तियों को सफलतापूर्वक इंजीनियरिंग में अनुवादित किया जा सकता है, जिससे ऐसी मशीनें बनाई जा सकती हैं जो उन कीटों जितनी ही फुर्तीली हों जिनसे उन्हें प्रेरणा मिली है।