नई कृत्रिम मांसपेशियाँ: हल्के, सुरक्षित और अधिक मजबूत रोबोट

ईटीएच ज्यूरिख के शोधकर्ताओं ने हाल ही में रोबोट की गति के लिए कृत्रिम मांसपेशियां विकसित की हैं, लेकिन उनका समाधान पहले देखी गई प्रौद्योगिकियों की तुलना में कई फायदे प्रदान करता है।
आगे के अध्ययन के योग्य, इसका उपयोग उन सभी मामलों में किया जा सकता है जहां रोबोट को कठोर के बजाय नरम होना चाहिए या पर्यावरण के साथ बातचीत में अधिक संवेदनशील होना चाहिए।
कई रोबोटिस्ट ऐसे रोबोट बनाने का सपना देखते हैं जो न केवल धातु या अन्य कठोर सामग्रियों और मोटरों का संयोजन हों, बल्कि नरम और अधिक अनुकूलनीय भी हों।
"सॉफ्ट" ऑटोमेटन पर्यावरण के साथ पूरी तरह से अलग तरीके से बातचीत कर सकते हैं; उदाहरण के लिए, वे मानव अंगों की तरह झटके को कम कर सकते हैं या किसी वस्तु को नाजुक ढंग से पकड़ सकते हैं।
इससे ऊर्जा खपत के संबंध में भी लाभ मिलेगा: आज रोबोटों की आवाजाही के लिए आमतौर पर लंबे समय तक स्थिति बनाए रखने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जबकि सॉफ्ट सिस्टम इसे बेहतर तरीके से संग्रहीत कर सकते हैं।
तो, मानव मांसपेशियों को एक मॉडल के रूप में लेने और इसे फिर से बनाने की कोशिश करने से अधिक स्पष्ट क्या हो सकता है?

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प्रत्येक प्राकृतिक मांसपेशी भी पर्याप्त विद्युत आवेग के जवाब में सिकुड़ती है

कृत्रिम मांसपेशियों की कार्यप्रणाली आवश्यक रूप से जीव विज्ञान पर आधारित है।
अपने प्राकृतिक समकक्षों की तरह, कृत्रिम मांसपेशियां विद्युत आवेग के जवाब में सिकुड़ती हैं।
हालाँकि, कृत्रिम मांसपेशियाँ कोशिकाओं और तंतुओं से नहीं बनी होती हैं, बल्कि एक तरल (आमतौर पर तेल) से भरी थैली से बनी होती हैं, जिसका आवरण आंशिक रूप से इलेक्ट्रोड से ढका होता है।
जब इन इलेक्ट्रोडों को विद्युत वोल्टेज प्राप्त होता है, तो वे एक साथ आते हैं और तरल को शेष थैली में धकेल देते हैं, जो मुड़ जाता है और इसलिए वजन उठाने में सक्षम होता है।
एक एकल थैली मांसपेशी फाइबर के एक छोटे बंडल के समान होती है।
इनमें से कई थैलियों को एक साथ जोड़कर एक संपूर्ण प्रणोदन तत्व बनाया जा सकता है, जिसे एक्चुएटर या अधिक सरल शब्दों में कहें तो एक कृत्रिम मांसपेशी भी कहा जाता है।

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मूल रूप से इलेक्ट्रोस्टैटिक एक्चुएटर्स को 6.000 से 10.000 वोल्ट के वोल्टेज की आवश्यकता होती है

कृत्रिम मांसपेशियों को विकसित करने का विचार नया नहीं है, लेकिन अब तक उनके कार्यान्वयन में एक बड़ी बाधा रही है: इलेक्ट्रोस्टैटिक एक्चुएटर्स केवल लगभग 6.000 से 10.000 वोल्ट तक के अत्यधिक उच्च वोल्टेज के साथ काम करते थे।
इस आवश्यकता के कई परिणाम थे: उदाहरण के लिए, मांसपेशियों को बड़े, भारी वोल्टेज एम्पलीफायरों से जोड़ा जाना था, वे पानी में काम नहीं करते थे और मनुष्यों के लिए पूरी तरह से सुरक्षित नहीं थे।
द्वारा अब एक नया समाधान विकसित किया गया है रॉबर्ट काट्ज़स्चमैनईटीएच ज्यूरिख में रोबोटिक्स के प्रोफेसर, स्टीफ़न-डैनियल ग्रेवर्ट, एलिया वारिनी और अन्य सहयोगियों के साथ।
उन्होंने सूचना वेबसाइट "साइंस एडवांसेज" पर एक लेख में कृत्रिम मांसपेशी के अपने संस्करण पर एक लेख प्रकाशित किया, जो वास्तव में कई फायदे प्रदान करता है।
स्टीफ़न-डैनियल ग्रेवर्ट, जो रॉबर्ट काट्ज़स्चमैन की प्रयोगशाला में वैज्ञानिक सहायक के रूप में काम करते हैं, ने बैग के लिए एक नया खोल डिजाइन किया।

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भविष्य के लिए समाधान? आज यह उच्च पारगम्यता फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री से आता है

शोधकर्ता नई कृत्रिम मांसपेशियों को HALVE एक्चुएटर्स कहते हैं, जहाँ HALVE का अर्थ "हाइड्रोलिक रूप से प्रवर्धित लो-वोल्टेज इलेक्ट्रोस्टैटिक" है।
“अन्य एक्चुएटर्स में, इलेक्ट्रोड शेल के बाहर स्थित होते हैं। हमारे यहां खोल कई परतों से बना होता है। हमने उच्च पारगम्यता वाला एक फेरोइलेक्ट्रिक पदार्थ लिया, जो अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में विद्युत ऊर्जा संग्रहीत करने में सक्षम है, और इसे इलेक्ट्रोड की एक परत के साथ जोड़ा। फिर हमने हर चीज़ को एक पॉलिमर शेल से लेपित किया जिसमें उत्कृष्ट यांत्रिक गुण हैं और यह बैग को अधिक स्थिर बनाता है।वो समझाता है।
इस तरह शोधकर्ता आवश्यक वोल्टेज को कम करने में सक्षम थे, क्योंकि फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री की बहुत अधिक पारगम्यता कम वोल्टेज के बावजूद बड़ी ताकत हासिल करने की अनुमति देती है।
स्टीफ़न-डैनियल ग्रेवर्ट और एलिया वारिनी ने मिलकर न केवल HALVE एक्चुएटर्स का शेल विकसित किया, बल्कि दो विशिष्ट रोबोटों में उपयोग के लिए प्रयोगशाला में स्वयं एक्चुएटर्स भी बनाए।

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रोबोट का ऐसा ही एक उदाहरण एक ग्रिपर है जो 11 सेंटीमीटर ऊंचा है और इसमें दो उंगलियां हैं।
प्रत्येक उंगली को HALVE एक्चुएटर की तीन श्रृंखला-जुड़ी जेबों द्वारा घुमाया जाता है।
एक छोटी बैटरी बिजली की आपूर्ति रोबोट को 900 वोल्ट की आपूर्ति करती है।
बैटरी और बिजली आपूर्ति का कुल वजन केवल 15 ग्राम है।
पावर और कंट्रोल इलेक्ट्रॉनिक्स सहित पूरे कैलीपर का वजन 45 है।
जब वस्तु को रस्सी के सहारे हवा में उठाया जाता है तो ग्रिपर अपने वजन को उठाने के लिए पर्याप्त बल के साथ एक चिकनी प्लास्टिक की वस्तु को पकड़ सकता है।
“यह उदाहरण उत्कृष्ट रूप से दर्शाता है कि HALVE एक्चुएटर कितने छोटे, हल्के और कुशल हैं। इसका मतलब यह भी है कि हमने एकीकृत मांसपेशी-संचालित सिस्टम बनाने के अपने लक्ष्य की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है।", काट्ज़स्चमैन संतुष्टि के साथ कहते हैं।
दूसरी वस्तु मछली जैसी तैराक है, जो लगभग 30 सेंटीमीटर लंबी है, जो पानी में आसानी से चलने में सक्षम है।
इसमें एक "सिर" होता है जिसमें इलेक्ट्रॉनिक्स और एक लचीली "बॉडी" होती है, जिसमें "हाइड्रोलिक रूप से एम्प्लीफाइड लो-वोल्टेज इलेक्ट्रोस्टैटिक" एक्चुएटर्स जुड़े होते हैं।
ये एक्चुएटर्स बारी-बारी से एक लय में चलते हैं जो विशिष्ट तैराकी गति उत्पन्न करता है।
स्वायत्त मछली 14 सेकंड में तीन सेंटीमीटर प्रति सेकंड की गति से ठहराव की स्थिति से बाहर जा सकती है, और यह सब साधारण नल के पानी में डूबा हुआ है।

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नए एक्चुएटर्स अन्य कृत्रिम मांसपेशियों की तुलना में अधिक मजबूत होने के साथ-साथ जलरोधी भी हैं

यह दूसरा उदाहरण महत्वपूर्ण है क्योंकि यह HALVE एक्चुएटर्स की एक और नई विशेषता प्रदर्शित करता है।
चूंकि इलेक्ट्रोड अब शेल के बाहर सुरक्षित नहीं हैं, कृत्रिम मांसपेशियां अब जलरोधक हैं और इन्हें प्रवाहकीय तरल पदार्थों में डुबो कर भी इस्तेमाल किया जा सकता है।
“मछली इन एक्चुएटर्स के एक सामान्य लाभ को दर्शाती है: इलेक्ट्रोड बाहरी वातावरण से सुरक्षित रहते हैं और, इसके विपरीत, पर्यावरण इलेक्ट्रोड द्वारा संरक्षित होता है। इसलिए, आप इन इलेक्ट्रोस्टैटिक एक्चुएटर्स का उपयोग पानी में कर सकते हैं या उन्हें छू सकते हैं, उदाहरण के लिए", ज्यूरिख में फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर कहते हैं।
लिफाफे की स्तरित संरचना का एक और फायदा यह भी है: नए एक्चुएटर अन्य कृत्रिम मांसपेशियों की तुलना में अधिक मजबूत होते हैं।
आदर्श रूप से, लिफ़ाफ़े बड़ी मात्रा में गति करने में सक्षम होने चाहिए और ऐसा शीघ्रता से करना चाहिए।
हालाँकि, यहां तक ​​​​कि सबसे छोटी विनिर्माण त्रुटि, जैसे कि इलेक्ट्रोड के बीच धूल का एक कण, विद्युत विफलता का कारण बन सकता है, एक प्रकार की "मिनी लाइटनिंग स्ट्राइक"।

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"मिनी लाइटनिंग" की समस्याएं हल हो गईं, कंपनियां बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए तैयार हैं

“जब पिछले मॉडलों में ऐसा हुआ, तो इलेक्ट्रोड जल गया, जिससे शेल में एक छेद बन गया। इससे तरल बाहर निकल गया और एक्चुएटर अनुपयोगी हो गया”, स्टीफ़न-डैनियल ग्रेवर्ट बताते हैं।
इस समस्या को HALVE एक्चुएटर्स में हल कर दिया गया है क्योंकि सुरक्षात्मक बाहरी प्लास्टिक परत के कारण एक छेद अनिवार्य रूप से खुद को बंद कर लेता है।
परिणामस्वरूप, विद्युत विफलता के बाद भी केस पूरी तरह कार्यात्मक रहता है।
कृत्रिम मांसपेशियों के विकास में निर्णायक सफलता हासिल करने से दोनों शोधकर्ता स्पष्ट रूप से खुश हैं, लेकिन वे यथार्थवादी भी हैं।
जैसा कि रॉबर्ट काट्ज़स्चमैन कहते हैं, “अब हमें इस तकनीक को बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए तैयार करना है, और हम यहां ईटीएच प्रयोगशाला में ऐसा नहीं कर सकते हैं। बहुत अधिक रहस्योद्घाटन किए बिना, मैं कह सकता हूं कि हम पहले से ही उन कंपनियों से रुचि दर्ज कर रहे हैं जो हमारे साथ काम करना चाहती हैं।"
उदाहरण के लिए, कृत्रिम मांसपेशियों का उपयोग एक दिन नए रोबोट, प्रोस्थेटिक्स या पहनने योग्य उपकरणों में किया जा सकता है।
दूसरे शब्दों में, मानव शरीर में और उस पर उपयोग के लिए प्रौद्योगिकियों में...

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