ऑक्सेटिक सामग्री के व्यापक उपयोग के मामले। उन्नत एल्गोरिद्म अब इन्हें बनाना आसान बना रहे हैं

ऑक्सेटिक सामग्री अक्षीय संपीड़न और तनाव के अधीन होने पर क्रमशः पार्श्व दिशा में सिकुड़ती और फैलती हैं। वे सामान्य लोचदार सामग्रियों के विपरीत प्रतिक्रिया देती हैं और इसलिए नकारात्मक पोइसन अनुपात प्रदर्शित करती हैं। यह अनुपात लागू बल के लंबवत दिशा में विकृति को मापता है। सामान्य लोचदार सामग्रियों के विपरीत, ऑक्सेटिक सामग्री संपीड़न पर लागू बल के लंबवत दिशा में पतली हो जाती है।

इन सामग्रियों ने पिछले कुछ दशकों में अपनी उपयोगी गुणों के कारण लोकप्रियता हासिल की है, जैसे कि अच्छी फ्रैक्चर टफ़नेस, उच्च इन्डेंटेशन/इम्पैक्ट प्रतिरोध, शियर मॉड्यूलस, अच्छा ऊर्जा अवशोषण, सिंक्लास्टिक विकृति, और उच्च पार्श्व स्ट्रेन। वे उच्च डेंट प्रतिरोध गुण और श्रेष्ठ सतह समरूपता भी रखते हैं।

इन सभी गुणों ने ऑक्सेटिक सामग्रियों को समृद्ध किया है, जिससे इनका व्यापक उपयोग सुनिश्चित हुआ है। आगे के भागों में हम इनका उपयोग चिकित्सा विज्ञान और स्वास्थ्य देखभाल, वाहन अभियांत्रिकी, सुरक्षा अभियांत्रिकी, परिधान आदि क्षेत्रों में देखेंगे।

ऑक्सेटिक सामग्री स्वास्थ्य देखभाल और चिकित्सा विज्ञान में

उच्च घनत्व वाली ऑक्सेटिक पॉलीइथीन का उपयोग रीढ़ की सर्जरी के लिए कृत्रिम इंटरवर्टेब्रल डिस्क विकसित करने में किया जाता है। ये डिस्कें मोड़ और घुमाव कर सकती हैं और संभावित रूप से पारंपरिक डिस्क प्रतिस्थापन समाधान की तुलना में बेहतर बायोमैकेनिकल प्रदर्शन प्रदान कर सकती हैं। उनकी ऑक्सेटिक विशेषताएँ उन उभारों को रोकती हैं जो आसपास की तंत्रिका समाप्तियों को चोट पहुँचा सकते हैं, जिससे डिस्क प्राकृतिक कमर की इंटरवर्टेब्रल डिस्क के व्यवहार की पूरी तरह नकल कर सकती है।

एक ऑक्सेटिक पेडिकल स्क्रू भी रीढ़ के लिए मुख्यतः आसपास की हड्डी और स्क्रू के बीच बायोमैकेनिकल अंतःक्रिया को सुधारने के लिए प्रस्तावित किया गया था। 

अनुसंधान ने वैज्ञानिकों को 316L मेडिकल-ग्रेड स्टेनलेस स्टील पर आधारित ऑक्सेटिक ज्यामिति वाला कोरोनरी स्टेंट विकसित करने में मदद की। यह स्टेंट रेडियल और लम्बवत दोनों दिशाओं में विस्तार कर सकता है और विशिष्ट व्यास और रक्तवाहिका की लंबाई के लिए अनुकूलित किया जा सकता है ताकि एक निश्चित ल्यूमेन आयतन बनाया जा सके, जिससे स्टेंट का रक्तवाहिका दीवार पर नकारात्मक प्रभाव कम हो जाता है।

ऑक्सेटिक सामग्रियों ने अन्य चिकित्सा अनुप्रयोगों में भी उपयोगी सिद्ध किया है, जैसे कि हिप इम्प्लांट स्टेम, लंबी हड्डियों के लिए फिक्सेशन, कार्डियक पैच, नासोफैरिंजियल स्वैब, ऑर्थोपेडिक इनसोल और अधिक। वे टिश्यू इंजीनियरिंग और इन-विट्रो मेडिकल डिवाइसों के लिए संरचनाओं और मेम्ब्रेन के निर्माण में भी मूल्यवान हैं।  

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ऑक्सेटिक सामग्री वाहन अभियांत्रिकी में

हालिया अनुसंधान ने दिखाया है कि ऑक्सेटिक सामग्री और संरचनाएँ पारंपरिक पतली दीवार वाली ट्यूब बम्पर और ऊर्जा-शोषक बॉक्स की ऊर्जा अवशोषण विशेषताओं को सुधारने के लिए एक श्रेष्ठ डिजाइन विधि प्रदान कर सकती हैं।

इन संरचनाओं में मध्यम गति के टक्करों के तहत अधिक कठोरता, ऊर्जा अवशोषण लाभ और टक्कर की ऊर्जा तथा यात्रियों की त्वरण-विलंब प्रक्रिया के लिए लंबा बफ़र समय होगा। वे ऊर्जा अवशोषण क्षमता, ऊर्जा अवशोषण दक्षता और अन्य प्रदर्शन संकेतकों में भी उच्च अंक प्राप्त करती हैं।

इस क्षेत्र के एक शोधकर्ता ने विशेष रूप से एक बम्पर का सुझाव दिया, जिसमें ऑक्सेटिक सैंडविच बीम संरचना और एक ऊर्जा-शोषक ब्लॉक संयोजन शामिल था, जिसे बहु-उद्देश्यीय एल्गोरिद्म द्वारा अनुकूलित किया गया, जिससे वाहन की फ्रंटल क्रैशवर्थीनेस में सुधार हुआ। 

ऑक्सेटिक सामग्री सुरक्षा अभियांत्रिकी में

सुरक्षा अभियांत्रिकी में ऑक्सेटिक संरचनाओं का उपयोग उनके उच्च ऊर्जा अवशोषण, सुधारित इन्डेंटेशन संपीड़न शक्ति और बढ़ी हुई शियर शक्ति गुणों के कारण उत्पन्न हुआ।

अनुसंधान ने ऑक्सेटिक हनीकॉम्ब सैंडविच पैनल संरचनाओं की खोज में मदद की, जो सुदृढ़ कंक्रीट संरचना को गंभीर टक्कर और निकटवर्ती विस्फोट लोड से बचा सकती हैं।

इसके अलावा, ऑक्सेटिक प्रभाव वाले सिलिंड्रिकल सैंडविच पैनल में अधिक मजबूत विस्फोट प्रतिरोध गुण होते हैं, और इन्हें प्रभावी रूप से मजबूत विमान खोल, अंतरिक्ष यान, पनडुब्बी कवच, ईंधन टैंक, कोयला खदान शेल्टर और अन्य वक्र संरचनाओं के डिजाइन में उपयोग किया जा सकता है। 

ऑक्सेटिक सामग्री परिधान अभियांत्रिकी में

लोड के तहत ऑक्सेटिक सामग्रियों की पार्श्व विस्तार विशेषता मोड़ के दौरान दोहरी वक्रता बनाने में मदद करती है। यह विशेषता इन सामग्रियों से बने परिधान को गति के दौरान मानव शरीर के बदलते रूपरेखा के अनुसार अनुकूलित होने की अनुमति देती है। अनुसंधान दर्शाता है कि ऑक्सेटिक फैब्रिक गर्भावस्था पहनावा पारंपरिक विकल्पों की तुलना में कम तनाव केंद्रित करता है। यह पहनने में भी आरामदायक है। 

इन व्यापक अनुप्रयोग संभावनाओं ने ऑक्सेटिक सामग्रियों की मांग में तेज़ी लाई है। इस बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए, शोधकर्ताओं ने मांग पर ऑक्सेटिक सामग्री डिजाइन करने के लिए एक तीन-चरणीय विधि विकसित की है। 

ऑक्सेटिक सामग्री को मांग पर बनाने की तीन-चरणीय प्रक्रिया

नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST) और यूनिवर्सिटी ऑफ शिकागो के शोधकर्ताओं ने ऑक्सेटिक उत्पादों के बाजार परिचय को तेज़ करने के लिए संयुक्त प्रयास किए हैं। और अधिक स्पष्ट रूप से, इन शोधकर्ताओं ने एक एल्गोरिदमिक टूल विकसित किया है जो ऑक्सेटिक की सटीक त्रि-आयामी डिजाइन में मदद करता है। अध्ययन के सह-लेखक, एडविन चान, NIST के सामग्री अनुसंधान इंजीनियर के अनुसार:

“हम वास्तव में सामग्री को ऐसी किसी भी विशेष यांत्रिक गुणों और व्यवहार के साथ अनुकूलित कर सकते हैं जो आप चाहते हैं।”

शोधकर्ताओं ने दुनिया को द्वि-आयामी परिपूर्ण ऑक्सेटिक का वर्णन करने के लिए एकीकृत ढांचा प्रस्तुत किया है। यह प्रस्तुति इस बड़े एहसास का परिणाम है कि परिपूर्ण ऑक्सेटिक सीमा को समझना और नियंत्रित करना हमें युक्तिसंगत रूप से वास्तविक ऑक्सेटिक को एक अनुकूलित ज्यामितीय संरचना के साथ डिजाइन करने की अनुमति देता है, जिसके लिए पोइसन अनुपात नकारात्मक बना रहता है।उनके अध्ययन के बड़े महत्व को विस्तार से बताते हुए, शोधकर्ताओं ने निम्नलिखित कहा:

“हमारा सिद्धांत न केवल मौजूदा ऑक्सेटिक की बड़ी वर्ग को एकीकृत करता है, जिसमें पूर्व के ऑक्सेटिक कठोर इकाई प्रणालियाँ शामिल हैं, बल्कि नई और विविध ज्यामितियों के साथ उनकी बड़ी विविधता बनाने की भी अनुमति देता है, जिसमें कुछ हद तक दुर्लभ समदिशीय ऑक्सेटिक सामग्री भी शामिल है।”

चूंकि शोधकर्ता परिपूर्ण ऑक्सेटिक के व्यवहार को समझने में रुचि रखते थे, उन्होंने घूर्णन इकाइयों के लिए न्यूनतम द्वि-आयामी मॉडल का उपयोग किया। इकाइयों में शून्य प्राकृतिक लंबाई वाले स्प्रिंग्स द्वारा जुड़े बहुभुजों की श्रृंखला शामिल थी। प्रत्येक कठोर इकाई के तीन स्वतंत्रता डिग्री थे: दो अनुवादात्मक और एक घूर्णनात्मक। इस मॉडल ने ऑक्सेटिक फ्लॉपी मोड के उद्भव को स्थापित करने में मदद की और सामग्री में लोच को प्रस्तुत किया ताकि गैर-आदर्श परिदृश्यों का भी अध्ययन किया जा सके।

वैज्ञानिक जांच का परिणाम एक ऐसी विधि के रूप में आया जो परिपूर्ण ऑक्सेटिक बनाने में मदद करेगी। इसके लिए तीन घटकों की आवश्यकता होगी:

• एक द्विपक्षीय नेटवर्क इकाइयों को एक-दूसरे के संबंध में प्रतिक्रमण करने की अनुमति देगा।
• आरम्भ में और विश्राम अवस्था में, प्रत्येक पड़ोसी बहुभुज के स्थिति वेक्टर और उनके बीच के शीर्ष को सहरेखीय होना चाहिए।
• एक बहुभुज की किसी शीर्ष से दूरी और उसके पड़ोसी की उसी शीर्ष से दूरी के बीच अनुपात नेटवर्क में एक स्थिर मान होना चाहिए।

शोधकर्ता बताते हैं कि उनके सिद्धांत की विशिष्टता इस तथ्य में है कि यह जालों तक सीमित नहीं है और इसे अव्यवस्थित नेटवर्क पर सीधे लागू किया जा सकता है। यह पहले समदिशीय परिपूर्ण ऑक्सेटिक सामग्री के निर्माण की अनुमति देता है। शोधकर्ता यह भी उल्लेख करते हैं कि उनका सिद्धांत 3D बहुभुजीय सामग्रियों में विस्तारित किया जा सकता है।

हालांकि यह अनुसंधान एक突破 है, ऑक्सेटिक सामग्रियों पर कार्य काफी समय से जारी है। आगे के भागों में, हम उन कंपनियों को देखेंगे जिन्होंने इन पर अग्रणी कार्य किया है।

#1. Nike

ऑक्सेटिक संरचनाओं के इस क्षेत्र में परिष्कृत कार्य करने वाले प्रमुख ब्रांडों में से एक Nike है। Nike का पेटेंट संख्या US9402439B2 ऑक्सेटिक संरचनाओं से जुड़े हैं जो ऑक्सेटिक संरचनाओं वाले सोल बनाना आसान बनाते हैं। 

आमतौर पर, जूते कम से कम दो प्रमुख घटकों से बनते हैं:

• एक अपर जो पहनने वाले के पैर को समेटने के लिए आवरण प्रदान करता है
• एक सोल जो अपर से जुड़ा होता है और जमीन या खेल सतह के साथ प्राथमिक संपर्क के रूप में कार्य करता है

सोल में तीन उपखंड हो सकते हैं: एक इनर सोल, एक मिडसोल, और एक आउटर सोल। Nike के पेटेंटेड जूते में, सोल की कम से कम एक परत ऑक्सेटिक संरचना से बनी होती है। इसे ऑक्सेटिक लेयर कहा जाता है। 

इन जूतों के साथ दौड़ना, मोड़ना, कूदना या तेज़ी से चलना ऑक्सेटिक लेयर पर बढ़ी हुई लम्बवत या पार्श्व तनाव डालता है, जिससे इसकी लंबाई और चौड़ाई बढ़ती है। इस प्रकार, यह बेहतर ट्रैक्शन प्रदान करता है और खेल सतह के कुछ प्रभावों को अवशोषित करता है।

Nike का मानना है कि ये जूते विभिन्न खेलों और मनोरंजक गतिविधियों के लिए लाभदायक हो सकते हैं, जिसमें टेनिस और अन्य रैकेट खेल, चलना, जॉगिंग, दौड़ना, हाइकिंग, हैंडबॉल, प्रशिक्षण, ट्रेडमिल पर दौड़ना या चलना, और टीम खेल जैसे बास्केटबॉल, वॉलीबॉल, लैक्रोस, फ़ील्ड हॉकी, और सॉकर शामिल हैं।

पूरे वित्तीय वर्ष 2023 के लिए, Nike ने US$51.2 बिलियन की आय की रिपोर्ट की, जो पिछले वर्ष की तुलना में 10 प्रतिशत बढ़ी और मुद्रा-तटस्थ आधार पर 16 प्रतिशत बढ़ी। 

#2. Airbus

Airbus Defence and Space को एक विकृत ऑक्सेटिक संरचना और निर्माण प्रक्रिया पर पेटेंट मिला। यह आविष्कार हल्का वजन सुरक्षा प्रदान करने का लक्ष्य रखता है विमान के एयरफ़्रेम और प्रणालियों में उच्च-ऊर्जा प्रभावों के खिलाफ एक एकीकृत सैंडविच पैनल द्वारा, जो पैनल की सतह बनाते दो दिशाओं में द्वि-आयामी ऑक्सेटिक व्यवहार का उपयोग करता है। 

Airbus का सुझाव है कि ऐसी सुरक्षा अत्यधिक एकीकृत रियर-एंड इंजन-चालित विमान विन्यासों में, जिसमें ओपन-रोटर या बाउंडरी-लेयर इन्जेस्टशन आर्किटेक्चर शामिल हैं, अत्यधिक लाभदायक होगी। इन विन्यासों में, प्रोपेलर ब्लेड रिलीज (PBR) और इंजन मलबा (असंकुचित इंजन रोटेशन फेल्योर छोटे टुकड़े और तीसरा डिस्क) से फ्यूज़ेज़ पर उच्च-ऊर्जा प्रभावों के सुरक्षा चिंताओं के कारण सुरक्षा उपाय (शिल्डिंग) आवश्यक होते हैं।

संरचना में कई जुड़े हुए त्रि-आयामी ऑक्सेटिक कोशिकाओं का एक ऑक्सेटिक व्यवस्था शामिल है। यह डिजाइन सुनिश्चित करता है कि चाहे सतह तत्व का सतह समतल हो, वक्र हो, या विभिन्न समतल सतहों का संयोजन हो, परिणामी संरचना इन प्रत्येक सतहों पर ऑक्सेटिक व्यवहार प्राप्त करेगी। अतिरिक्त रूप से, यह मुख्य प्रभाव दिशा के लंबवत एक से अधिक आयाम में ऑक्सेटिक व्यवहार प्रदर्शित करेगी।

2023 में, Airbus ने 65 बिलियन यूरो से अधिक की आय दर्ज की, जो 2022 में अर्जित 58.8 बिलियन यूरो की तुलना में उल्लेखनीय वृद्धि है। 

ऑक्सेटिक सामग्री बनाना: भविष्य कैसा दिखता है

हमारी चर्चा को शुरू करने वाले शोध ने कई breakthroughs हासिल किए। यह घूर्णन इकाई ऑक्सेटिक को बनाने, डिजाइन करने और विशेषता निर्धारित करने के लिए एक सरल-पालन मॉडल प्रदान कर सकता है। सिद्धांत को मान्य करने वाले मॉडल सामग्री गुणों के परीक्षण के लिए सीधे सिमुलेशन में प्रभावी थे जबकि बेंडिंग बलों को अनदेखा किया गया। हालांकि, यदि आवश्यक हो तो मॉडल बेंडिंग को समायोजित करने के लिए अनुकूल थे। इस कार्य ने पहले कभी नहीं देखे गए समदिशीय परिपूर्ण ऑक्सेटिक बनाने के मूल नियम स्थापित किए। इसके लिए केवल गतिशील और कंपन विश्लेषण पर अधिक शोध की आवश्यकता थी।

जबकि अनुसंधान और अन्वेषण विज्ञान और प्रौद्योगिकी में एक अनंत प्रक्रिया है, लोड-धारण करने वाले अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से, ऑक्सेटिक सामग्रियों को सुदृढ़ीकरण के रूप में उनकी व्यवहार्यता पर अधिक जांच की जानी चाहिए। ऑक्सेटिकता से प्राप्त लाभों को शुरू करने के लिए अत्यधिक विकृति आवश्यक होती है। ये विकृतियां स्थिर लोडिंग में संरचनात्मक तत्वों के लिए निर्दिष्ट सेवा सीमा से अधिक हो सकती हैं। इस संदर्भ में, शोधकर्ताओं ने कस्टम डिज़ाइनों की आवश्यकता की ओर संकेत किया है जो शक्ति और कठोरता दोनों आवश्यकताओं को पूरा करते हैं। 

बायोमेडिकल अनुप्रयोग के क्षेत्र में, 3D ऑक्सेटिक की आवश्यकता उत्पन्न होती है, जिसे केवल एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रियाओं द्वारा ही प्राप्त किया जा सकता है। इन प्रक्रियाओं को इस प्रकार उन्नत किया जाना चाहिए कि चिकित्सा उपकरणों के दीर्घकालिक प्रदर्शन को सुनिश्चित किया जा सके। ऑक्सेटिक बनाने के लिए उन्नत एल्गोरिद्म-आधारित प्रक्रिया इन मामलों में उपयोगी हो सकती है, क्योंकि अधिकांश एडिटिव तकनीकें लेयर-बाय-लेयर प्रक्रिया के कारण अंतर्निहित रूप से अनिसोट्रॉपिक परिणाम देती हैं, जो समाधान की यांत्रिक प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती हैं।

इन चुनौतियों के बावजूद, शोधकर्ता आशावादी हैं कि भविष्य की कुछ प्रवृत्तियों, यदि सफलतापूर्वक स्केल अप की जाएँ, तो ऑक्सेटिक के अधिक उत्साही अपनाने की ओर ले जा सकती हैं। ऐसी प्रवृत्तियों में 4D प्रिंटिंग और ऑक्सेटिक ज्यामितियों के बीच समन्वय बनाना, आकार स्मृति सामग्री और तंत्रों का निर्माण आदि शामिल हैं।

ऑक्सेटिक बायोहाइब्रिड सामग्रियों में भी अधिक उपयोग पा सकते हैं, जहाँ कोशिकाओं द्वारा उपनिवेशित ऑक्सेटिक स्कैफ़ोल्ड अधिक स्वायत्त एक्ट्यूएटर बना सकता है। शोधकर्ताओं के अनुसार, ये सामग्री वर्तमान में उपलब्ध “स्मार्ट,” सक्रिय या बहु-कार्यात्मक सामग्रियों और संरचनाओं से बेहतर प्रदर्शन करने में सक्षम हैं।

बायोहाइब्रिड के उपयोग का एक प्रमुख उदाहरण माइक्रोबॉट्स के रूप में है, जिनमें ऑक्सेटिक चेसिस और जीवित कोशिकाओं द्वारा संचालित तंत्र होते हैं। ये समाधान, विशेष रूप से विद्युत उत्तेजना-सक्रिय कार्डियोमायोसाइट्स या मस्क्यूलोस्केलेटल कोशिकाएँ, भविष्य में सर्जिकल एक्ट्यूएटर के रूप में उपयोग की जा सकती हैं।

समग्र रूप से, ऑक्सेटिक हमें अवसरों के एक खनन क्षेत्र प्रस्तुत करता है। इसके लिए केवल अधिक अनुसंधान और संसाधनों की आवश्यकता है ताकि इसे स्केल अप किया जा सके और दीर्घकालिक व्यावहारिक समाधान प्रदान किए जा सकें।

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