छोटा मेंढक जैसा रोबोट मुड़ी हुई लचीली छड़ों की स्नैपिंग से कूदता, तैरता और गीली सतहों को पार करता है

रोबोटिक्स शोधकर्ताओं ने बेहतर प्रणोदन की तलाश में घोड़ों, कीड़ों और अनगिनत अन्य जानवरों से प्रेरणा ली है। अब मेंढक भी इस सूची में शामिल हो रहे हैं। शोधकर्ताओं की एक टीम ने हथेली के आकार का एक रोबोट प्रदर्शित किया है, जो उभयचरों की अचानक, शक्तिशाली छलांग लगाने की क्षमता से प्रेरित है और मुड़ी हुई लचीली छड़ों पर आधारित एक तंत्र का उपयोग करता है, जो एक आकार से दूसरे आकार में स्नैप कर जाता है।

यह कार्य 18 सितंबर को जर्नल साइंस एडवांसेज में प्रकाशित हुआ है। इसमें यह पड़ताल की गई है कि लचीली छड़ों को घुमाने और मोड़ने से ऊर्जा कैसे संग्रहित की जा सकती है और फिर उसे एक क्षण में मुक्त किया जा सकता है — एक "स्नैपिंग मोशन" जो एक छोटी मशीन को आगे छलांग लगाने या पानी में धकेलने देता है। शोधकर्ताओं ने इस विचार को क्रियान्वित रूप में दिखाने के लिए एक कार्यशील प्रोटोटाइप भी बनाया।

मेंढक अच्छे रोबोट क्यों बनते हैं

मेंढक असामान्य रूप से कुशल छलांग लगाने वाले होते हैं। वे छलांग लगाने के लिए विशाल मांसपेशियों पर निर्भर नहीं रहते; इसके बजाय वे अपने टेंडन में संग्रहित लचीली ऊर्जा का उपयोग करते हैं और उसे तेजी से मुक्त करके शिकारियों से दूर या तालाबों के पार उछल जाते हैं। यह जैविक तरकीब इंजीनियरों के लिए आकर्षक है क्योंकि यह छोटे रोबोट की एक मूलभूत बाधा को दरकिनार करती है: मशीन जितनी छोटी होती है, उसमें शक्तिशाली मोटर और उन्हें नियंत्रित करने वाली इलेक्ट्रॉनिकी भरना उतना ही कठिन होता है।

अध्ययन के लेखकों का तर्क है कि जैव-प्रेरित स्नैपिंग तंत्र एक मध्य मार्ग खोल सकते हैं। मोटरों को बड़ा करने के बजाय वे ऐसे रोबोट बनाने का सुझाव देते हैं जिनकी अपनी भौतिक संरचना गति का कुछ काम संभालती है — यह रणनीति उन मशीनों के लिए लाभदायक हो सकती है जिनका ऊर्जा बजट सीमित है, या जिन्हें असमान जमीन और पानी तक पार करना होता है।

स्नैपिंग रॉड कैसे काम करती है

डिज़ाइन का मूल एक लचीली छड़ है। जब छड़ को मोड़कर वक्र बनाया जाता है और उसके सिरों को घुमाया जाता है, तो सामग्री के भीतर तनाव बनता है। अंततः छड़ एक सीमा तक पहुंचती है जहां वह नई संरचना में पलट जाती है और उस संचित ऊर्जा को सेकंड के एक अंश में मुक्त कर देती है।

इस प्रणाली को दिलचस्प — और इंजीनियरिंग के लिए मुश्किल — बनाता है यह तथ्य कि यह संक्रमण पूरी तरह पूर्वानुमेय नहीं है। मोड़ने और घुमाने के संयोजन के आधार पर छड़ अपनी संग्रहित ऊर्जा को एक से अधिक तरीकों से मुक्त कर सकती है। शोधकर्ताओं ने उन संयोजनों की जांच की ताकि यह समझा जा सके कि कौन-सी संरचनाएं विश्वसनीय, दोहराने योग्य स्नैप उत्पन्न करती हैं जिसे छलांग के रूप में उपयोग किया जा सके।

व्यावहारिक रूप से छड़ एक यांत्रिक स्प्रिंग और ट्रिगर दोनों का काम करती है। ऊर्जा कब संग्रहित होगी और कब मुक्त होगी, इसका समय निर्धारित करें, और रोबोट को तेज, शक्तिशाली गतियां मिलती हैं, बिना मोटर से लगातार उच्च उत्पादन की मांग किए।

हथेली के आकार का प्रोटोटाइप

इस अवधारणा को प्रदर्शित करने के लिए टीम ने एक छोटी मशीन बनाई जिसके आयाम पारंपरिक रोबोट की तुलना में खिलौने के अधिक करीब हैं। अध्ययन और प्रोटोटाइप के प्रमुख आंकड़े इस प्रकार हैं:

• वजन: लगभग 3.4 औंस, ताश के पत्तों के एक डेक के बराबर।
• आकार: इतना छोटा कि हथेली में समा जाए।
• गति: लगभग तीन शरीर-लंबाई प्रति सेकंड, जो छोटी छलांगों की श्रृंखला से हासिल होती है।
• क्षमताएं: गीली सतहों पर कूदना, तैरना और बाधा कोर्स पार करना।

बाधा कोर्स का प्रदर्शन उल्लेखनीय है क्योंकि यह रोबोट का परीक्षण नियंत्रित प्रयोगशाला सेटअप के बाहर करता है। जो मशीन कूद सकती है, उतर सकती है, दिशा बदल सकती है और चलती रह सकती है, उसे अनिश्चितता का सामना करना पड़ता है — फिसलन भरी जमीन, बाधाएं, और सूखी जमीन से पानी में संक्रमण — और यह सब जटिल ऑनबोर्ड गणना के बजाय एक सरल यांत्रिक कौशल से करना पड़ता है।

यांत्रिकी को काम करने देना

मिशिगन विश्वविद्यालय में रोबोटिक्स के सहायक प्रोफेसर और अध्ययन के सह-प्रथम लेखक ज़ियाओनान (शॉन) हुआंग ने इस परियोजना को हार्डवेयर और नियंत्रण सॉफ्टवेयर के बीच प्रयास के पुनर्वितरण के रूप में प्रस्तुत किया। उन्होंने एक बयान में कहा कि व्यापक अवसर यह है कि रोबोट की यांत्रिकी को उस काम का कुछ हिस्सा संभालने दिया जाए जिसके लिए अन्यथा बड़ी मोटरों या अधिक जटिल नियंत्रण प्रणालियों की आवश्यकता होती।

हुआंग ने समझाया कि यह निर्धारित करके कि कोई लचीली संरचना कब ऊर्जा संग्रहित करती है और कब उसे तेजी से मुक्त करती है, इंजीनियर छोटे रोबोटों को शक्तिशाली और दोहराने योग्य गतियां दे सकते हैं, बिना मोटरों को लगातार उनकी सीमाओं तक धकेले। यह दृष्टिकोण रोबोटिक्स अनुसंधान की एक बड़ी प्रवृत्ति की ओर संकेत करता है: अधिक एक्चुएटर और गणना जोड़ने के बजाय, डिज़ाइनर बुद्धिमत्ता और क्षमता को सीधे मशीन के शरीर में बनाने के तरीके खोज रहे हैं।

कूदने और तैरने वाले रोबोट कहां मदद कर सकते हैं

शोधकर्ताओं ने कई ऐसे परिदृश्य बताए हैं जहां उभयचर क्षमता वाली छोटी, ऊर्जा-किफायती मशीन उपयोगी साबित हो सकती है:

• अव्यवस्थित भूभाग जहां पहिए और ट्रैक संघर्ष करते हैं, जैसे मलबा या घनी वनस्पति।
• ऐसे वातावरण जिनमें तेजी से बाधा से बचाव या अचानक दिशा परिवर्तन की आवश्यकता होती है।
• ऐसे मिशन जो जमीन और पानी के बीच जाते हैं, जहां एक ही गति रणनीति पर्याप्त नहीं होती।
• ऐसी तैनातियां जहां बैटरी क्षमता या मोटर उत्पादन आकार के कारण गंभीर रूप से सीमित होता है।

हुआंग ने कहा कि यह सिद्धांत अंततः ऐसे रोबोटों का समर्थन कर सकता है जिन्हें गंदी, बाधाओं से भरी जमीन पर चलना हो, बाधाएं पार करनी हों, तेजी से मुड़ना हो, या स्थलीय और जलीय दोनों वातावरणों में काम करना हो। चपलता और दक्षता का यही संयोजन मेंढकों को प्राकृतिक दुनिया में इतना प्रभावी सर्वव्यापी बनाता है।

आगे क्या आता है

यह अध्ययन एक अवधारणा का प्रमाण है, तैयार उत्पाद नहीं। स्नैपिंग तंत्र स्वभावतः सटीक नियंत्रण के लिए कठिन होते हैं, और यह तथ्य कि मुड़ी और घुमाई गई छड़ हमेशा एक ही तरह से ऊर्जा मुक्त नहीं करती, विश्वसनीय चाल विकसित करने के इच्छुक इंजीनियरों के लिए अवसर और चुनौती दोनों है।

फिर भी, प्रोटोटाइप का प्रदर्शन — गीली जमीन और पानी पर लगभग तीन शरीर-लंबाई प्रति सेकंड — संकेत देता है कि इस दृष्टिकोण में विकास की गुंजाइश है। जैसे-जैसे शोधकर्ता मोड़ने, घुमाने और स्नैपिंग के बीच संबंध को और गहराई से समझेंगे, वे ऐसी लचीली संरचनाएं डिज़ाइन कर सकेंगे जो मांग पर विशिष्ट, दोहराने योग्य छलांग दें। अगर ऐसा होता है, तो साधारण मेंढक छोटे रोबोटों की एक पीढ़ी को आकार दे सकता है जो वहां कूदते हैं जहां बड़ी मशीनें नहीं पहुंच सकतीं।

यह लेख लाइव साइंस की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।