Stacked electrohydrodynamic pumps with densely perforated electrodes
यह अध्ययन एक हल्के, स्टैकेबल इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक पंप को प्रस्तुत करता है जिसमें सघन रूप से छिद्रित इलेक्ट्रोड हैं जो 55.0 W/kg का रिकॉर्ड तोड़ शक्ति घनत्व और काफी उन्नत प्रवाह एवं दबाव प्रदर्शन प्राप्त करता है, जो सॉफ्ट रोबोटिक प्रणालियों को चलाने में इसकी प्रभावशीलता को प्रदर्शित करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ मशीनें मोटरों, गियर या बैटरी के साथ नहीं, बल्कि एक तरल पदार्थ के माध्यम से बिजली के शांत धक्के से चलती हैं। यह इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक्स (electrohydrodynamics) का क्षेत्र है, जहाँ वैज्ञानिक तरल पदार्थों को हिलाने और गति उत्पन्न करने के लिए उच्च-वोल्टेज बिजली का उपयोग करते हैं। एक मानक सेटअप में, दो इलेक्ट्रोड एक गैर-प्रवाहकीय (non-conductive) तरल के भीतर स्थित होते हैं। जब एक मजबूत विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, तो यह कुछ तरल अणुओं से इलेक्ट्रॉनों को अलग कर देता है, जिससे उन्हें धनात्मक आवेश (positive charge) प्राप्त होता है। ये आवेशित अणु फिर ऋणात्मक इलेक्ट्रोड की ओर खींचे जाते हैं। जैसे ही वे अंतराल के पार दौड़ते हैं, वे अपने साथ आसपास के तटस्थ तरल को भी खींचते हैं, जिससे प्रवाह की एक निरंतर धारा बन जाती है। यह प्रक्रिया रोबोटिक्स के लिए एक अनूठा लाभ प्रदान करती है: इसमें किसी भी चलते हुए यांत्रिक भाग की आवश्यकता नहीं होती, जिससे बनने वाले पंप शांत, अविश्वसनीय रूप से पतले और सूक्ष्म आकार तक छोटा करना आसान होता है। दशकों से, शोधकर्ता इन पंपों को इतना शक्तिशाली बनाने का प्रयास कर रहे थे कि वे उन कोमल, लचीले रोबोटों को चला सकें जो जीवित प्राणियों की सौम्य गतिविधियों की नकल कर सकें, लेकिन बिना भारीपन बढ़ाए उनकी शक्ति को बढ़ाना एक कठिन चुनौती बना हुआ था।
जापान के द यूनिवर्सिटी ऑफ इलेक्ट्रो-कम्युनिकेशंस के शोधकर्ताओं ने, मित्सुबिशी केमिकल के इंजीनियरों के साथ मिलकर, इन पंपों के मूल हृदय को फिर से डिजाइन करके एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। इलेक्ट्रोड की एक एकल परत पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने एक ऐसा तरीका विकसित किया जिससे कई परतों को ताश के पत्तों की गड्डी की तरह एक के ऊपर एक रखा जा सके, जिससे एक ऐसा पंप तैयार हुआ जो हल्का और उल्लेखनीय रूप से शक्तिशाली है। उनका नवाचार इन परतों के निर्माण के तरीके में निहित है। इलेक्ट्रोड और इन्सुलेटिंग सामग्री को अलग-अलग टुकड़ों के रूप में बनाने और उन्हें संरेखित करने के बजाय, उन्होंने एक ही पतली इन्सुलेटिंग शीट के दोनों ओर सीधे इलेक्ट्रोड उकेरे (etch), ठीक वैसे ही जैसे रोजमर्रा के इलेक्ट्रॉनिक्स में पाए जाने वाले सर्किट बोर्ड होते हैं। इसके बाद उन्होंने इस पूरे 'सैंडविच' के माध्यम से हजारों छोटे छेद किए। यह "सघन रूप से छिद्रित" (densely perforated) डिज़ाइन यह सुनिश्चित करता है कि विद्युत क्षेत्र प्रत्येक छेद के किनारों पर तरल पर एक साथ कार्य करे, जिससे बहुत कम स्थान के भीतर उत्पन्न बल कई गुना बढ़ जाता है।
शोधकर्ताओं ने अपने नए डिज़ाइन का परीक्षण करने के लिए विभिन्न परतों, विभिन्न छेद के आकार और विभिन्न छेद घनत्व वाले पंप बनाए। उन्होंने पाया कि केवल अधिक परतों को एक साथ रखने से पंप अधिक जोर से धकेलता है, जिससे परतों की संख्या बढ़ने के अनुपात में दबाव बढ़ता है। साथ ही, छेदों को बड़ा करने से अधिक तरल प्रवाहित हो सका, जिससे प्रवाह की गति बढ़ गई। इन कारकों को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, उन्होंने पाँच परतों वाला एक पंप बनाया जिसका वजन मात्र 0.64 ग्राम था, फिर भी वह अपने आकार के अनुपात में भारी मात्रा में तरल को स्थानांतरित कर सका। इस नन्हे उपकरण ने 2041.0 मिलीलीटर प्रति मिनट की अधिकतम प्रवाह दर प्राप्त की और 9.3 किलोपास्कल का दबाव उत्पन्न कर सका। शायद सबसे प्रभावशाली बात यह है कि अपने स्वयं के वजन के सापेक्ष किए गए कार्य को मापने पर, पंप ने 55.0 वाट प्रति किलोग्राम का पावर डेंसिटी (शक्ति घनत्व) प्रदान किया। यह आंकड़ा समान प्रकार के पिछले पंपों की तुलना में नब्बे गुना से अधिक सुधार को दर्शाता है, जो प्रभावी रूप से एक हल्के, सॉलिड-स्टेट डिवाइस से उच्च प्रदर्शन प्राप्त करने की दीर्घकालिक समस्या को हल करता है।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह तकनीक वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए तैयार है, टीम ने अपने नए पंप को सॉफ्ट रोबोटिक उपकरणों से जोड़ा। उन्होंने पंप और दो अलग-अलग प्रकार के सॉफ्ट एक्ट्यूएटर्स (actuators) में एक ही डाइइलेक्ट्रिक तरल भरा। जब उन्होंने वोल्टेज लगाया, तो पंप ने एक्ट्यूएटर्स में तरल को धकेला, जिससे वे हिलने लगे। एक परीक्षण में, पंप ने सिलिकॉन और कपड़े से बनी एक कृत्रिम मांसपेशी को सफलतापूर्वक सिकोड़ा, जिससे छोटे वजन उठाने के लिए पर्याप्त बल उत्पन्न हुआ। दूसरे परीक्षण में, इसने एक नरम, तरल से भरे हाथ को मोड़ने में मदद की। अंत में, इन झुकने वाले हाथों में से दो को एक साधारण ग्रिपर (पकड़ने वाले यंत्र) के रूप में जोड़कर, सिस्टम गोलाकार और घनाकार वस्तुओं को उठाने और पकड़ने में सक्षम रहा। इन प्रदर्शनों ने दिखाया कि यह पंप केवल प्रयोगशाला की एक वस्तु नहीं है, बल्कि जटिल, लचीली मशीनों को चलाने में सक्षम एक बहुमुखी शक्ति स्रोत है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि पंप घंटों के संचालन के दौरान स्थिर रहता है, भविष्य का कार्य विभिन्न तरल पदार्थों का परीक्षण करके और स्तरित परतों के बीच की दूरी को परिष्कृत करके इसे और भी अधिक प्रतिक्रियाशील बनाने पर केंद्रित होगा। फिलहाल, यह नया स्टैक्ड डिज़ाइन, कोमल रोबोट बनाने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो प्रकृति के इरादे के अनुसार उतने ही शांत, कुशल और शक्तिशाली हों।
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