गहरी समुद्री स्पंज ने इंजीनियरिंग के लिए अत्यंत मजबूत लैटिस संरचना को प्रेरित किया

RMIT के सेंटर फॉर इनोवेटिव स्ट्रक्चर्स एंड मैटेरियल्स की एक इंजीनियरों की टीम ने बायोमिमिक्री का उपयोग करके एक सुपर-स्टॉन्ग लैटिस संरचना विकसित की, जो पारंपरिक हनीकॉम्ब-आधारित विकल्पों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदान करती है।

गहरी समुद्री स्पंज, वीनस के फूल बास्केट से प्रेरित, यह डिज़ाइन लाखों वर्षों के विकास का उपयोग करके ऑक्सेटिकता, कठोरता और ऊर्जा अवशोषण को अनुकूलित करता है। यहाँ बताया गया है कि यह अल्ट्रा-स्टॉन्ग लैटिस संरचना अगली पीढ़ी की इमारतों, चिकित्सा प्रक्रियाओं और कई अन्य क्षेत्रों को खोलने की कुंजी कैसे बन सकती है।

ऑक्सेटिक सामग्री को समझना

इस विकास के महत्व को समझने के लिए, यह आवश्यक है कि आप ऑक्सेटिक सामग्री की प्राकृतिक और मानव निर्मित दोनों अनुप्रयोगों में निभाई जाने वाली महत्वपूर्ण भूमिका को समझें। ये सामग्री आपके पारंपरिक वस्तुओं से अलग होती हैं, जो संपीड़न पर चपटे हो जाते हैं या खिंचाव पर लंबा हो जाते हैं।

इसके बजाय, ऑक्सेटिक सामग्री संपीड़न के तहत पार्श्व संकुचन प्रदर्शित करती हैं। यह विशेषता उन्हें उन अनुप्रयोगों में आदर्श बनाती है जहाँ प्रभाव ऊर्जा को प्रभावी ढंग से अवशोषित और वितरित करने की आवश्यकता होती है। उल्लेखनीय रूप से, ऑक्सेटिक सामग्री के प्राकृतिक संस्करण जैसे मांसपेशी टेंडन, और मानव निर्मित उदाहरण जैसे हृदय स्टेंट होते हैं जिन्हें रक्तवाहिका के दबाव की मांगों के अनुसार समायोजित होना पड़ता है।

ऑक्सेटिक डिज़ाइनों का विकास

वर्षों के दौरान, सबसे प्रभावी ऑक्सेटिक सामग्री विकसित करने के लिए बहुत सारे अनुसंधान एवं विकास किए गए हैं। वर्तमान डिज़ाइनों में चिरल संरचनाएँ, सितारा-आकार के हनीकॉम्ब, घूर्णनशील कठोर शरीर संरचनाएँ, बहु-सामग्री ऑक्सेटिक, और री-एंट्रेंट हनीकॉम्ब शामिल हैं। इन विकल्पों में, री-एंट्रेंट षट्कोणीय हनीकॉम्ब सबसे प्रमुख हैं।

री-एंट्रेंट षट्कोणीय हनीकॉम्ब: एक पारंपरिक दृष्टिकोण

री-एंट्रेंट षट्कोणीय हनीकॉम्ब डिज़ाइन को मधुमक्खी के छत्तों में पाए जाने वाले हनीकॉम्ब से बायोइंस्पायर्ड किया गया था। इसे 1982 में विकसित किया गया था और इसमें विकर्ण रिब्स होते हैं जो संपीड़न के तहत अंदर की ओर शिफ्ट होते हैं, जिससे डिज़ाइन कठोर हो जाता है।

तब से, प्रदर्शन को सुधारने के लिए अतिरिक्त स्ट्रट्स जोड़े गए हैं जिससे डिज़ाइन में सुधार हुआ है। हालांकि, लचीलापन, उत्पादन लागत और समग्र प्रदर्शन के संदर्भ में हनीकॉम्ब लेआउट में अभी भी कई कमियां हैं।

लैटिस संरचनाओं का उन्नयन: बीएलएस अध्ययन

इस उभरते क्षेत्र में सीमाओं को पहचानते हुए, RMIT विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक स्वामित्व वाला ऑक्सेटिक डिज़ाइन विकसित किया जो सभी पहलुओं में अपने पूर्ववर्तियों से बेहतर प्रदर्शन कर सकता है। रिपोर्ट “गहरी समुद्री स्पंज से प्रेरित लैटिस संरचना के ऑक्सेटिक व्यवहार और ऊर्जा अवशोषण विशेषताएँ“¹ जो Composite Structures में प्रकाशित हुई, यह दर्शाती है कि नया डिज़ाइन गहरी स्पंज की कंकाल संरचना से प्रेरित है और री-एंट्रेंट षट्कोणीय हनीकॉम्ब की तुलना में 13 गुना बेहतर प्रदर्शन कर सकता है।

वीनस का फूल बास्केट: प्रकृति की रूपरेखा

गहरी समुद्री स्पंज Euplectella Aspergillum, जिसे सामूहिक रूप से वीनस का फूल बास्केट कहा जाता है, प्रकृति में सबसे टिकाऊ और अनोखी कंकाल संरचनाओं में से एक है। इस स्पंज में स्पिक्यूल्स नामक कांच जैसे तत्वों से बनी ग्रिड जैसी कंकाल संरचना होती है जो वर्गाकार ग्रिड बनाते हैं।

स्रोत – RMIT सेंटर फॉर इनोवेटिव स्ट्रक्चर्स एंड मैटेरियल्स

ग्रिड को डबल-लैटिस स्ट्रट्स द्वारा सुदृढ़ किया गया है जो संरचना को शतरंज बोर्ड जैसा रूप देते हैं, जिसमें वैकल्पिक वर्ग भरे होते हैं। ये खुले और बंद कोशिकाएँ जीव को अनूठी यांत्रिक गुण प्रदान करती हैं, जिसमें बेजोड़ कठोरता और उच्च-प्रदर्शन ऊर्जा अवशोषण शामिल हैं।

बायो-प्रेरित लैटिस संरचना का 3D मॉडल बनाना

इंजीनियरों ने अपनी खोजों को प्रदर्शित करने और सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए एक 3D मॉडल बनाया। उनका 3D बॉडी-सेंटरड क्यूबिक लैटिस संरचना थर्मोप्लास्टिक पॉलीयूरेथेन से प्रिंट की गई थी। इसमें 3 × 3 ग्रिड में व्यवस्थित नौ वर्गाकार कोशिकाएँ थीं। टीम ने ध्यान दिया कि अकेले प्रत्येक लैटिस विकृति व्यवहार दर्शाता है। हालांकि, जब संयुक्त किया गया, तो सामग्री ने ऑक्सेटिक क्रियाएँ प्रदर्शित कीं।

संगणकीय सिमुलेशन: बीएलएस डिज़ाइन को परिष्कृत करना

अगला कदम परीक्षण डेटा का उपयोग करके कंप्यूटर सिमुलेशन बनाना था। यह प्रक्रिया इंजीनियरों को अपनी परीक्षण दर को सुधारने और अधिक परीक्षणों में अधिक विदेशी आकार और डिज़ाइन आज़माने की अनुमति देती है। उन्होंने ज्यामितीय विविधताओं के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए सिमुलेशन का उपयोग किया।

प्रत्येक सामग्री का डेटा, जिसमें उसका ऑक्सेटिक व्यवहार, कठोरता और ऊर्जा अवशोषण क्षमता शामिल थी, दस्तावेज़ीकृत किया गया। अतिरिक्त रूप से, टीम ने गैर-डायगोनल और डबल-डायगोनल बारों की व्यवस्था और मोटाई जैसे संरचनात्मक पैरामीटरों के प्रभाव की समीक्षा की। फिर टीम ने डबल-डायगोनल बारों के बीच की दूरी को समायोजित किया ताकि इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त हो सके।

बीएलएस का परीक्षण: प्रयोगात्मक सत्यापन

शोधकर्ताओं ने अपने नए लैटिस डिज़ाइन का विभिन्न तरीकों से परीक्षण किया। विशेष रूप से, Shimadzu AGS-50kNXD यूनिवर्सल टेस्टर का उपयोग करके 33D-प्रिंटेड BLS-0 और CAS इकाइयों पर क्वासी-स्टेटिक यूनियाक्सियल संपीड़न परीक्षण किए गए। इंजीनियरों ने सामग्री के सभी मुख्य पहलुओं को व्यवस्थित रूप से दस्तावेज़ीकृत किया, जिसमें ऑक्सेटिक व्यवहार, कठोरता और ऊर्जा अवशोषण गुण शामिल हैं।

प्रभावशाली परीक्षण परिणाम

परीक्षणों ने कुछ प्रभावशाली परिणाम दिखाए। इंजीनियरों के अनुसार, BLS ने सभी पहलुओं में री-एंट्रेंट षट्कोणीय विकल्पों से बेहतर प्रदर्शन किया। संपीड़न के संदर्भ में, इसने मूल डिज़ाइन को 13% बेहतर किया। अतिरिक्त रूप से, इसने 60% अधिक स्ट्रेन रेंज में 10% अधिक ऊर्जा अवशोषित की।

BLS ने पारंपरिक ट्यूब डिज़ाइनों की तुलना में लगभग दोगुनी कठोरता दिखाई। साथ ही, यह री-एंट्रेंट हनीकॉम्ब पूर्वजों की तुलना में 3 गुना अधिक मजबूत और 4 गुना अधिक टिकाऊ था। यह उन्नत यांत्रिक प्रदर्शन एक हल्के डिज़ाइन से आता है जो विकल्पों की तुलना में बहुत कम सामग्री का उपयोग करता है।

बायो-प्रेरित लैटिस संरचना के प्रमुख लाभ

कई लाभ हैं जो BLS खोज को उल्लेखनीय बनाते हैं। सबसे पहले, यह इंजीनियरों को संपीड़न शक्ति और कठोरता का नया स्तर प्रदान करता है, जिससे अधिक टिकाऊ वस्तुओं का निर्माण संभव होता है। घरों से लेकर कारों तक, यह हल्का डिज़ाइन कई सामान्य दैनिक उपयोग की वस्तुओं की टिकाऊपन को बढ़ा सकता है, साथ ही आज के सबसे अधिक इंजीनियर किए गए प्रोजेक्ट्स में भी।

BLS निर्माण में 3D प्रिंटिंग की भूमिका

इस डिज़ाइन का एक और प्रमुख लाभ यह है कि इसे 3D प्रिंट किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण इंजीनियरों को लगभग किसी भी अनुप्रयोग की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए लेआउट को अनुकूलित करने की अनुमति देता है। साथ ही, यह नियंत्रित और आसानी से एकीकृत तरीके से अन्य सामग्रियों के साथ प्रयोग करने का अवसर प्रदान करता है, जिससे अधिक नवाचार को बढ़ावा मिलता है।

BLS के संभावित वास्तविक-विश्व अनुप्रयोग

यह बायो-प्रेरित सामग्री एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव और सिविल इंजीनियरिंग जैसे उद्योगों में अधिक मजबूत और अधिक लचीली संरचनाओं के विकास की ओर ले जा सकती है। इन सभी क्षेत्रों में लगातार ऐसी सामग्री की खोज रहती है जो हल्की, काम करने में आसान और अधिक शक्ति व कठोरता प्रदर्शित करती हो।

अब, इस नवाचारी शोधकर्ता टीम का लक्ष्य ऑक्सेटिक सामग्री की एक नई वर्ग को प्रेरित करना है, जो उन्नत ऊर्जा अवशोषण और संरचनात्मक कठोरता जैसी श्रेष्ठ यांत्रिक गुण प्रदान करती है।

इंजीनियरिंग अनुप्रयोग: आगे क्या है?

कई विश्लेषकों का अनुमान है कि आगे के 5 से 10 वर्षों में, आगे के अनुसंधान और विकास के बाद, इस तकनीक के अनुप्रयोग उभर सकते हैं। यहाँ इस तकनीक के कुछ संभावित अनुप्रयोगों की सूची दी गई है।

निर्माण

इंजीनियरों के अनुसार, निर्माण क्षेत्र उनका मुख्य फोकस होगा। निर्माण सामग्री महंगी है और पिछले कुछ वर्षों में कीमतें तेज़ी से बढ़ी हैं। यह विकास इस क्षेत्र को विभिन्न तरीकों से क्रांतिकारी बना सकता है।

पहले, यह निर्माताओं को कम सामग्री का उपयोग करके अधिक मजबूत संरचनाएँ बनाने की अनुमति देगा। इस लैटिस को आपके घर की स्टील फ्रेमिंग या किसी इमारत के बीमों के स्थान पर सोचें। खुला और बंद चेकरबोर्ड लेआउट और सामग्री हल्की संरचना से संपीड़न के तहत ऑक्सेटिक व्यवहार प्रदान करती है।

इसके अतिरिक्त, वास्तुकार और इंजीनियर अधिक लचीली इमारतें बना सकते हैं। कल्पना करें एक गगनचुंबी इमारत जो भूकंप के दौरान कंपन को कम करने या हवा के दबाव पर विशेष तरीके से कठोर होने के लिए डिज़ाइन की गई हो। इस प्रकार, BLS बाजार में संरचनात्मक इंजीनियरिंग क्षमताओं को बढ़ा सकता है।

सुरक्षात्मक उपकरण

BLS के लिए एक और रुचिकर क्षेत्र सुरक्षा गियर उद्योग है। यह सामग्री स्वयं पहने जाने वाले सुरक्षा गियर को हल्का और अधिक लचीला बनाएगी। लैटिस डिज़ाइन यह सुनिश्चित करेगा कि हल्का गियर सबसे कठोर परिस्थितियों और प्रभावों में भी टिके, जिससे आज के सबसे खतरनाक खेलों में नई सुरक्षा स्तर का द्वार खुलता है।

सैन्य

इस सामग्री के कई सैन्य अनुप्रयोग हैं। अगली पीढ़ी के हल्के और अत्यंत पतले बुलेटप्रूफ वेस्ट की कल्पना करें। इंजीनियर अस्थायी पुलों जैसे आइटम को आसान बना सकते हैं, जिससे उनके असेंबली और परिवहन दोनों में सुधार हो। अतिरिक्त रूप से, यह अगली पीढ़ी के वाहनों और अन्य उपकरणों के निर्माण में भूमिका निभा सकता है, जिन्हें उन्नत कठोरता की आवश्यकता होती है लेकिन कड़े वजन प्रतिबंधों को पूरा करना पड़ता है।

ऐसे ड्रोन की कल्पना करें जो अधिक दूरी तक उड़ सकें और अधिक क्षति सह सकें, या हेल्मेट जो उच्च कैलिबर की सीधी मार को बिना टूटे सहन कर सकें। BLS तकनीक का उपयोग करके यह सब और अधिक संभव है।

चिकित्सा अनुप्रयोग

चिकित्सा क्षेत्र इस तकनीक का उपयोग कई विभिन्न प्रक्रियाओं में सुधार के लिए कर सकता है। उदाहरण के लिए, धमनियों को खुला रखने के लिए डिज़ाइन किए गए इम्प्लांट को अत्यधिक दबाव के तहत समायोजित होने और वर्षों तक बिना क्षय के टिकने में सक्षम होना चाहिए। नया लैटिस डिज़ाइन आवश्यकतानुसार अधिक टिकाऊपन और कठोरता प्रदान करता है, जिससे धमनियों के बंद होने से बचाव होता है और जीवन बचते हैं।

ऑटोमोटिव

इस तकनीक के कई विभिन्न तरीके हैं जिनसे आपका अगला वाहन अधिक सुरक्षित और अधिक कुशल बन सकता है। पहले, अद्यतन ट्यूब डिज़ाइन कई निर्माताओं द्वारा वर्तमान में उपयोग किए जा रहे स्टील फ्रेम को बदल सकता है। यह नया डिज़ाइन उत्पादन लागत को कम करेगा और शक्ति तथा टिकाऊपन को सुधार देगा।

इसके अतिरिक्त, इस तकनीक का उपयोग करके आपकी सवारी को बहुत अधिक स्मूद बनाया जा सकता है। इन सामग्रियों से निर्मित शॉक और अन्य कंपन-शमन संरचनाओं की कल्पना करें। ये डिज़ाइन अधिक आराम प्रदान कर सकते हैं जबकि आपके अगले इलेक्ट्रिक वाहन के कुल वजन में वृद्धि नहीं करेंगे।

बायो-प्रेरित लैटिस संरचना (BLS) शोधकर्ता

RMIT के सेंटर फॉर इनोवेटिव स्ट्रक्चर्स एंड मैटेरियल्स ने इस अध्ययन का नेतृत्व किया, जिसमें शोधकर्ता जियामिंग मा, होंग्रु झांग, टिंग-उए ली, होंगजिया लु, यी मिन शिए, और न्गोक सान हा शामिल थे। अब, यह टीम अपनी रचना का परीक्षण करने के लिए स्टील जैसी अन्य सामग्रियों के उपयोग में गहराई से अध्ययन करने की योजना बना रही है।

टीम ने अपनी अनूठी गुणों के आधार पर सामग्रियों के संयोजन का उपयोग करके प्रदर्शन को और बेहतर बनाने में भी रुचि व्यक्त की है। इन प्रयोगों में विभिन्न सामग्रियों से बीम और वर्ग बनाना शामिल होगा जो परस्पर क्रिया कर सकें।

सामग्री विज्ञान क्षेत्र में निवेश

सामग्री विज्ञान क्षेत्र में कई प्रमुख निर्माता हैं जो तकनीक को नई ऊँचाइयों तक ले जाते रहते हैं। यह नवीनतम विकास बाजार में नवाचार की गति को दर्शाता है। यहाँ एक नवाचारी कंपनी है जो सामग्री विज्ञान में किसी भी突破 को एकीकृत करने के लिए अच्छी स्थिति में है, जिससे उसके ROI और उत्पाद लाइन में सुधार हो सके।

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) ने 1948 में सेवा शुरू की और यह कनेक्टिकट में स्थित है। यह अमेरिकी निर्माता हनीकॉम्ब-डिज़ाइन वाली सामग्रियों में विशेषज्ञता रखता है। अपनी स्थापना के बाद से, Hexcel ने बड़ी सफलता देखी है।

दिलचस्प बात यह है कि कंपनी के पहले प्रमुख सरकारी अनुबंधों में से एक द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान सैन्य विमानों के रडार डोम में उपयोग के लिए नई पीढ़ी के हनीकॉम्ब सामग्री विकसित करना था। युद्ध के समाप्त होने के बाद, कंपनी ने कैलिफ़ोर्निया रिइन्फोर्स्ड प्लास्टिक्स और सिबा कॉम्पोज़िट्स का अधिग्रहण किया।

1995 में, इसने Hercules Composites Products Division का अधिग्रहण किया। आज, इसे एयरोस्पेस और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उन्नत कंपोजिट सामग्री के क्षेत्र में एक प्रमुख नवप्रवर्तक के रूप में मान्यता प्राप्त है। कंपनी ने 1968 में अपोलो 11 री-एंट्री क्राफ्ट के डिज़ाइन और निर्माण में प्रसिद्ध रूप से योगदान दिया।

Hexcel अपने अनुसंधान पर कई पेटेंट रखता है और संरचनात्मक अखंडता को बढ़ाने, वजन कम करने और आसान निर्माण विकल्प प्रदान करने वाली अगली पीढ़ी की सामग्रियों के विकास में निरंतर फंडिंग प्रदान करता रहता है।

वर्तमान में, Hexcel के 5894 कर्मचारी हैं और 2024 में इसका राजस्व $1.90 बिलियन दर्ज किया गया है। अधिकांश विश्लेषकों द्वारा इसका स्टॉक एक मजबूत “Buy” माना जाता है क्योंकि कंपनी सरकारी अनुबंधों को सुरक्षित करने और अगली पीढ़ी की तकनीकों को समर्थन देने में जारी है। ये कारक, कंपनी के इतिहास और स्थिति के साथ मिलकर, HXL को किसी भी पोर्टफ़ोलियो में एक समझदार जोड़ बनाते हैं।

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बायो-प्रेरित लैटिस संरचनाओं का भविष्य

जब आप बायो-प्रेरित लैटिस संरचनाओं के बाजार में लाए गए लाभों की जांच करते हैं, तो यह स्पष्ट है कि वे एक दिन इलेक्ट्रॉनिक्स को हल्का, सुरक्षा गियर को सुरक्षित और आपके भविष्य के वाहन को अधिक टिकाऊ बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगे।

इसके अतिरिक्त, 3D प्रिंटिंग में प्रगति इंजीनियरों के लिए अल्ट्रा-परफॉर्मेंस ऑक्सेटिक संरचनाओं और सामग्रियों को मॉडल और बनाना और भी आसान बना देगी। अभी के लिए, इस टीम को इस बात पर प्रकाश डालने के लिए सराहना मिलनी चाहिए कि ऑक्सेटिक सामग्री कैसे काम करती हैं और विकास ने उनके डिज़ाइन को कैसे बेहतर बनाया है।

अब अन्य सामग्री विज्ञान की उपलब्धियों के बारे में जानें।

संदर्भित अध्ययन:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). लैटिस संरचना के ऑक्सेटिक व्यवहार और ऊर्जा अवशोषण विशेषताएँ. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}