योगात्मक विनिर्माण
इंजीनियर प्रकृति से प्रेरणा लेकर 3डी-प्रिंटेड जल शोधन समाधान डिजाइन कर रहे हैं
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प्रकृति ने हमेशा इंजीनियरों, वास्तुकारों, तकनीकी शोधकर्ताओं और विश्व भर के वैज्ञानिकों को प्रेरित किया है। पक्षियों ने हमारी उड़ान तकनीक को प्रेरित किया है। प्रेयरी पारिस्थितिक तंत्रों ने मानवता को अधिक सतत और कुशल कृषि प्रणालियों को विकसित करने के लिए प्रोत्साहित किया है। फूलों में सर्पिल प्रवाह ने कुशल जल मिश्रण प्रणालियों को प्रेरित किया है। बुर के बीजों ने वेल्क्रो को प्रेरित किया है। सूची अनंत तक चलती है!
अब, एक वैज्ञानिक रिपोर्ट प्रकाशित हुई है जिसमें MIT के इंजीनियर दिखाते हैं कि मोबुला रे की अनूठी फ़िल्टर‑फ़ीडिंग तकनीक और उसकी विशिष्ट संरचनाएँ अधिक कुशल औद्योगिक जल फ़िल्टरों को कैसे प्रेरित कर सकती हैं।
खोज में गहराई से जाने से पहले, आइए संक्षेप में मोबुला रे के बारे में देखें।
मोबुला रे क्या हैं?
उनकी अक्रोबेटिक छलांगों के कारण इन्हें उड़ते रे भी कहा जाता है, मोबुला रे बड़े, सपाट, हीरे के आकार के शरीर वाले जीव हैं और लंबी पंखें जो उन्हें पानी में – और हवा में भी – फिसलने देती हैं। ये मछलियाँ नियमित रूप से एकत्रित होकर समुद्र से बाहर कूदती हैं और हवा में लॉन्च होती हैं, अक्सर दो मीटर तक पानी से बाहर कूदती हैं और फिर छींटे के साथ नीचे गिरती हैं।
जैसा कि नेचुरल हिस्ट्री म्यूजियम बताता है, मोबुला रे फ़िल्टर‑फ़ीड करते हैं, अर्थात वे अपने मुँह से पानी से प्लवंकटन को छानते हैं, और उनका झुंड अक्सर बड़ी संख्या में इकट्ठा होता है। लेकिन वे 3डी‑प्रिंटेड जल शोधन समाधान डिजाइन करने में कैसे प्रेरणा बन सकते हैं? हम इसे अगले भाग में चर्चा करेंगे।
प्रकृति से प्रेरणा लेने के बारे में रोबोटिक्स कैसे सीख सकता है, यह जानने के लिए यहाँ क्लिक करें।
जल शोधन के लिए मोबुला रे का अनुसरण करना
मोबुला रे फ़िल्टरिंग उपकरण औद्योगिक क्रॉस‑फ़्लो फ़िल्टरों के समान है लेकिन अलग पैरामीटर रेज़िम में काम करता है। औद्योगिक क्रॉस‑फ़्लो और मोबुला फ़िल्ट्रेशन के बीच अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ताओं ने स्थापित किया एक लीकिंग चैनल में पारगम्यता–चयनात्मकता के ट्रेड‑ऑफ़ के लिए एक सार्वभौमिक ढांचा स्थापित किया।
शोधकर्ता दावा करते हैं कि उन्होंने सफलतापूर्वक दिखाया है कि मोबुला फ़िल्टरों की ज्यामिति श्वास और भोजन को समायोजित करने के लिए संतुलन बनाने के लिए विकसित हुई है और ऐसे डिज़ाइन सिद्धांत निकाले हैं जो पारंपरिक फ़िल्ट्रेशन रेज़िम से आगे जाते हैं। परिणामस्वरूप मोबुला‑प्रेरित फ़िल्ट्रेशन उपकरणों का निर्माण हुआ है।
जबकि ये सभी लग सकता है जैसे जटिल अभ्यास बायोमिमिक्री के क्षेत्र में, यदि हम मोबुला रे को थोड़ा और करीब से देखें तो तंत्र को समझना आसान है। मोबुला रे खुले मुँह से समुद्र के प्लवंकटन‑समृद्ध क्षेत्रों में तैरते हैं और प्लवंकटन कणों को अपने गले में फ़िल्टर करते हैं जबकि पानी उनके मुँह में प्रवेश करता है और उनके गलफड़ों से बाहर निकलता है।
मोबुला रे के मुँह की फर्श दोनों ओर समानांतर, कंघी‑जैसी संरचनाओं, जिन्हें प्लेट कहा जाता है, से सजी होती है, जो पानी को रे के गलफड़ों में खींचती हैं। इन प्लेटों ही इस वर्तमान शोध की कुंजी हैं जिसे हम यहाँ चर्चा कर रहे हैं।
MIT के शोधकर्ताओं की टीम ने दिखाया है कि इन प्लेटों के आयाम आने वाले प्लवंकटन को पूरी तरह प्लेटों के पार बाउंस करके रे की गुहा में ले जा सकते हैं, बजाय गलफड़ों से बाहर निकलने के। इसके अलावा, मोबुला रे के गलफड़े बहते पानी से ऑक्सीजन अवशोषित कर सकते हैं जिससे वे भोजन करते समय एक साथ साँस ले सकें।
अध्ययन के अनुसार लेखक अनेट “पेको” होसॉई, MIT के पप्पालार्डो मैकेनिकल इंजीनियरिंग प्रोफेसर:
हम (शोधकर्ता) दिखाते हैं कि मोबुला रे ने इन प्लेटों की ज्यामिति को इस तरह विकसित किया है कि यह भोजन और श्वास के संतुलन के लिए आदर्श आकार हो।
शोधकर्ताओं ने मोबुला रे की प्लवंकटन‑फ़िल्टरिंग विशेषताओं के अनुसार एक जल फ़िल्टर तैयार किया।इन अभ्यासों से प्राप्त परिणामों को तैयार किया गयाडिज़ाइनरों के लिए एक ब्लूप्रिंट में, जिससे वे औद्योगिक क्रॉस‑फ़्लो फ़िल्टरों को अनुकूलित कर सकें, जो संरचना में मोबुला रे के समान हैं।
मुख्य लेखक और MIT पोस्टडॉक Xinyu Mao के अनुसार:
हम पारंपरिक क्रॉस‑फ़्लो फ़िल्ट्रेशन के डिज़ाइन स्पेस को मंटा रे से प्राप्त नई जानकारी के साथ विस्तारित करना चाहते हैं।
विस्तार की प्रकृति समझाते हुए, शोधकर्ता ने कहा:
लोग मोबुला रे के पैरामीटर रेज़िम को चुन सकते हैं जिससे वे संभावित रूप से कुल फ़िल्टर प्रदर्शन को सुधार सकते हैं।
अपने मोबुला रे‑प्रेरित फ़िल्टर डिज़ाइन में, शोध टीम ने एक सरल फ़िल्टर बनाया। इस डिज़ाइन को ‘लीकी चैनल’ कहा जाता है, जो किनारों पर छेद वाले पाइप जैसा दिखता है। ‘चैनल’ की प्रकृति को विस्तार से समझाने के लिए, यह दो सपाट एक्रिलिक प्लेटों से बना था जिनके बीच थोड़ा अंतराल था, जिससे तरल प्रवाहित हो सके। चैनल के एक सिरे पर, शोधकर्ताओं ने 3डी‑प्रिंटेड संरचनाएँ रखी जो मोबुला रे के मुँह के अंदर की खुरदरी प्लेटों की नकल करती थीं।
उन्होंने विभिन्न गति पर चैनल के माध्यम से पानी पंप करके सेटअप का परीक्षण किया। प्रवाह को प्रभावी रूप से दृश्य बनाने के लिए उन्होंने रंगीन डाई जोड़ी। जब प्रवाह दर बढ़ी, तो पानी ने प्रत्येक खुरदुरे के मुँह पर भंवर बनाये, जिससे कणों को गुजरने से रोका गया और कणों को चैनलों के नीचे धकेला गया।
जो सामान्यतः मोबुला रे करते हैं वह है सही गति से तैरना जिससे भंवर बनते हैं जो सबसे छोटे प्लवंकटन कणों को भी फँसाते हैं, जिससे शेष पानी उनके गलफड़ों से बाहर निकलता है। यह अंतर्दृष्टि औद्योगिक क्रॉस‑फ़्लो फ़िल्टरों को अनुकूलित करने के लिए एक आदर्श ब्लूप्रिंट की कुंजी बनती है, जो व्यावहारिक मार्गदर्शन प्रदान करती है।
1. Ford
दुनिया के सबसे सम्मानित ऑटोमोबाइल ब्रांडों में से एक – Ford – ने मधुमक्खियों से प्रेरणा लेकर अपने नए Ecosport SUV के लिए हल्का फिर भी मजबूत शहद‑छत्ता कार्गो शेल्फ डिजाइन किया। Ford EcoSport में समायोज्य कार्गो फ़्लोरबोर्ड 100 प्रतिशत पुनर्नवीनीकृत कागज के शहद‑छत्ते से बना था, जिससे कॉम्पैक्ट SUV ग्राहकों को कम में अधिक करने में मदद मिली।
पूरी तरह प्राकृतिक कागज और जल‑आधारित गोंद से निर्मित, छह पाउंड वजन वाला शहद‑छत्ता फ़्लोरबोर्ड पर्यावरण‑मित्र और इतना मजबूत था कि लगभग 700 पाउंड कार्गो संभाल सकता था। मूल रूप से मधुमक्खियों से प्राप्त, बायोमिमिक्री तकनीक पहली बार 50 साल पहले घरेलू दरवाज़ा निर्माण में पेश की गई थी।
उनके कारों में प्रकृति‑प्रेरित डिज़ाइन के बारे में बात करते हुए, Ford EcoSport सहायक मुख्य इंजीनियर Mike Maxzzella ने कहा:
शहद‑छत्ते का षट्कोणीय डिज़ाइन प्रकृति की कुशाग्रता का प्रमाण है। यह न केवल मजबूत है, बल्कि अत्यंत हल्का भी है। ग्राहक शेल्फ को कई विभिन्न स्लॉटों में स्लाइड कर सकते हैं, जैसे ओवन रैक, और इसे सीटों के पीछे भी रख सकते हैं। यह EcoSport को दैनिक उपयोग में सुपर‑लचीला बनाता है।
EcoSport शेल्फ का वजन केवल छह पाउंड था। फिर भी, इसे लगभग 700 पाउंड तक 38.5 इंच बाय 25.25 इंच सतह पर संभालने के लिए रेट किया गया था। दूसरे शब्दों में, यह शेल्फ भारी वस्तुओं के अनगिनत संयोजन, जैसे पाँच बैग कंक्रीट मिश्रण (प्रत्येक 94 पाउंड), चार बड़े टॉपसॉइल बैग (प्रत्येक 40 पाउंड), और आठ व्यक्तिगत गैलन पानी (लगभग आठ पाउंड प्रत्येक) को धारण कर सकता है।
Ford हमेशा ऐसी कंपनी रही है जो अपने उत्पादों को बेहतर, अधिक कुशल और मजबूत बनाने के लिए प्रकृति की कार्यप्रणाली से जुड़ती रही है। लगभग एक दशक पहले, 2015 में, कंपनी ने व्यवस्थित रूप से बायोमिमिक्री की खोज शुरू की। उसने एक Procter and Gamble के साथ अनुसंधान साझेदारी, बायोमिमिक्री इंस्टीट्यूट की सहायता से नवीन चिपकने वाले पदार्थ बनाने के लिए, एक गैर‑लाभकारी संगठन जो प्रकृति‑प्रेरित समाधान अपनाने की वकालत करता है।
ऐसी साझेदारियों के महत्व के बारे में बात करते हुए, बायोमिमिक्री इंस्टीट्यूट की कार्यकारी निदेशक Beth Rattner ने कहा:
मुझे लगता है कि यह महत्वपूर्ण है कि Ford जैसी कंपनी कहे, ‘हम इसे केवल इसलिए नहीं कर रहे हैं क्योंकि हमें लगता है कि यह बेहतर, अधिक स्थायी डिज़ाइन है, बल्कि इसलिए भी कि लोग प्रक्रिया में प्राकृतिक जीवों पर अधिक ध्यान दें।’
2015 में, कंपनी ने टोकाय गेको के पैर के तलवों का अध्ययन करके नए चिपकने वाले पदार्थ विकसित करने का प्रयास किया, जो छिपकली को छतों और कांच की खिड़कियों पर दौड़ने की अनुमति देते हैं। Ford ने इसे अपने वाहनों की रीसाइक्लिंग दर को 10% तक बढ़ाने का अवसर माना, क्योंकि गेको पैर‑प्रेरित चिपकने वाला पदार्थ कार निर्माता को धातु के अंदर के प्लास्टिक और फोम को बेहतर ढंग से अलग करने में मदद कर सकता है।
Ford में उस समय प्लास्टिक और स्थिरता अनुसंधान की वरिष्ठ तकनीकी नेता Debbie Mielewski के अनुसार:
यदि हम इसे अलग कर सकें, यदि हम इसके भीतर विभिन्न प्रवाहों की पहचान कर सकें, तो हम उन्हें उच्च‑स्तरीय अनुप्रयोगों के लिए उपयोग करने की बेहतर संभावना रखेंगे।
F मूल्य चार्ट
जबकि Ford प्रकृति से प्रेरणा लेना जारी रखता है, यह वित्तीय और राजस्व के हिसाब से भी अच्छा प्रदर्शन करता रहता है। कंपनी ने 30 सितंबर, 2024 को समाप्त तिमाही में $46.20 बिलियन का राजस्व दर्ज किया, जिसमें 5.47% की वृद्धि हुई, जिससे पिछले बारह महीनों में कंपनी का राजस्व $182.74 बिलियन हो गया, जो वर्ष‑दर‑वर्ष 4.89% बढ़ा। वर्ष 2023 में, Ford Motor Company (F ) का वार्षिक राजस्व $176.19 बिलियन था, जिसमें 11.47% की वृद्धि हुई।
2. The Procter and Gamble Company
प्रकृति से बेहतर उत्पाद निर्माण सिद्धांत सीखने में अग्रणी एक और प्रमुख कॉरपोरेट इकाई Procter and Gamble है। 2024 में, Procter and Gamble ने एक Basecamp Research के साथ साझेदारी, जो AI‑आधारित प्रोटीन डिज़ाइन के लिए जीनिक विविधता को मैप करता है, ताकि ठंडे पानी की स्थितियों के लिए उच्च‑प्रदर्शन सफाई एंजाइमों के विकास को तेज किया जा सके।
यह साझेदारी ठंडे वातावरण के अनुकूल जीवों से सीखकर AI का उपयोग करके बेहतर ठंड‑धोने वाले एंजाइम विकसित करने के लिए नई एंजाइमों को डिजाइन करने में रुचि रखती थी।
साझेदारी के उद्देश्य और P&G द्वारा इससे प्राप्त मूल्य के बारे में बात करते हुए, Dr Philip Souter OBE, P&G के लाँड्री रिसर्च और डेवलपमेंट के वरिष्ठ निदेशक, ने कहा:
हमें इस पहल में Basecamp Research के साथ साझेदारी करके खुशी है, हम उनके प्रकृति के अनोखे दृष्टिकोण और AI क्षमता को हमारी व्यापक नवाचार विशेषज्ञता के साथ मिलाकर नई समाधान विकसित कर रहे हैं, ताकि उपभोक्ता अनुभव को श्रेष्ठ बनाया जा सके।
P&G ने ठंडे वातावरण में रहने वाले लाखों जीवों की जीनिक विविधता को समझने में Basecamp Research की क्षमताओं का उपयोग करके कम धोने के तापमान पर प्रभावशीलता बढ़ाने और गर्म पानी की आवश्यकता को कम करने की विशिष्ट योजनाएँ बनाई, जिससे पर्यावरण और हीटिंग बिल दोनों के लिए बेहतर हो।
Procter and Gamble को Biomimicry 3.8 के शोध से भी प्रेरणा मिली, जिसने साँपों और लीचों से अंतर्दृष्टि लेकर बेहतर डिटर्जेंट डिजाइन किए। Biomimicry 3.8 विश्व की प्रमुख परामर्श और पेशेवर प्रशिक्षण कंपनी है जो प्रकृति‑सकारात्मक डिज़ाइन और नवाचार पर केंद्रित है।
Biomimicry 3.8 के एक शोध ने धुलाई उत्पादों की दाग‑हटाने की प्रभावशीलता को सुधारने पर ध्यान दिया। जैविक दुनिया में गहरी पैटर्न पर फोकस करके, Biomimicry 3.8 ने 30 अनोखी जैविक रणनीतियों की पहचान की जिनमें रक्त के दाग को कपड़े से हटाने की चुनौती को हल करने की संभावना है। इस शोध ने यह देखा कि साँप और लीच कैसे काम करते हैं, क्योंकि वे कई जीवों में से हैं जो रक्त को पचा सकते हैं और सबसे कठिन दाग बनाने वाले में से एक माने जाते हैं।
ये जीव, और कई अन्य, मूल्यवान डिज़ाइन सबक प्रदान करते हैं जो क्लोरीन, अपशिष्ट जल और ऊर्जा के उपयोग को सीमित करने वाले समाधान के लिए संभावित हैं। इस शोध के कारण, P&G के R&D विभाग ने अपने सभी शोध प्रयासों को बदल दिया। प्रमुख वैज्ञानिक Yousef Aouad ने कहा कि इस काम ने टीम को रक्त‑दाग मॉडल दिया जिसमें रक्त‑दाग हटाने के क्रमिक चरणों की अवधारणात्मक समझ थी।
लेकिन सबसे महत्वपूर्ण बात, मॉडल अब यह भी पीछे मुड़कर समझाता है: हमारे वर्तमान एंजाइम रक्त‑दाग पर अपना काम क्यों नहीं कर पाते?
– Yousef Aouad
PG मूल्य चार्ट
प्रकृति से सीखना और लगातार उससे प्रेरणा लेना कंपनी की पेशकशों में अधिक वृद्धि और उत्पाद विविधता लाया है। कंपनी की आय में शुद्ध बिक्री में स्थिर वृद्धि देखी गई। यह 2020 में US$71 बिलियन से बढ़कर 2024 में US$84 बिलियन हो गया। ऑपरेटिंग आय भी US$15.7 बिलियन से बढ़कर US$18.5 बिलियन हो गई।
प्रकृति‑प्रेरित डिज़ाइनों का भविष्य
कंपनियां अधिक से अधिक प्रकृति से प्रेरणा लेने में रुचि रख रही हैं क्योंकि उनके डिज़ाइन सतत, पर्यावरण‑मित्र, उपलब्ध संसाधनों को अनुकूलित करने में सक्षम और विभिन्न जलवायु स्थितियों के अनुकूल लचीले होते हैं।
डिज़ाइन और इंजीनियरिंग में प्रकृति की नकल का एक हालिया और अत्यधिक लोकप्रिय उदाहरण तब था जब Mercedes Benz ने Bionic Car विकसित किया, जो बॉक्सफ़िश की बड़ी संरचनात्मक शक्ति और कम द्रव्यमान से प्रेरित था। कार को रिपोर्ट किया गया था कि यह ड्रैग को कम करता है जबकि उल्लेखनीय स्तर की कठोरता, कम वजन, और पारंपरिक कारों की तुलना में काफी कम ईंधन खपत प्रदर्शित करता है।
जापान में, बुलेट ट्रेनों का डिज़ाइन प्रेरित था किंगफ़िश से। हवा और पानी के बीच बहुत कम छींट के साथ यात्रा करने में माहिर, इन ट्रेनों ने Shinkansen bullet train को लंबी चोंच‑आकार की नाक के साथ बनाया गया। इस डिज़ाइन ने ट्रेन द्वारा उत्पन्न शोर को काफी हद तक कम किया, 15 प्रतिशत कम बिजली का उपयोग किया, और पहले की तुलना में 10 प्रतिशत तेज़ यात्रा की।
लगभग दो दशकों पहले, MIT के एक अन्य शोध समूह ने एक नया पदार्थ बनाया जो छोटे मात्रा में पानी को पकड़ और नियंत्रित कर सकता था। इस डिज़ाइन की प्रेरणा डाइम‑साइज़ बीटल्स से ली गई थी। यह पदार्थ सुपरहाइड्रोफोबिक (पानी‑प्रतिरोधी) सतह को सुपरहाइड्रोफिलिक (पानी‑आकर्षक) बम्प्स के साथ मिलाता है जो जल‑बूँदों को फँसाते और जल प्रवाह को नियंत्रित करते हैं।
नए पदार्थ के संभावित उपयोगों में जल संग्रह, लैब‑ऑन‑ए‑चिप (निदान और DNA स्क्रीनिंग के लिए), और माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण तथा कूलिंग डिवाइस बनाना शामिल था।
बायोमिमिक्री का इतिहास मानव सभ्यता जितना पुराना है। इसके उदाहरण केवल इंजीनियरिंग में ही नहीं बल्कि वास्तुकला में भी मिलते हैं। वास्तुकला में, बायोमिमिक्री अधिक सतत और कुशल इमारतों के डिजाइन में प्रकट होती है जो प्रकृति के साथ सामंजस्य में होती हैं। अक्सर इन्हें बायोमिमेटिक आर्किटेक्चर कहा जाता है, ये इमारतें प्रकृति से प्रेरणा लेकर ऊर्जा‑कुशल, बायोक्लाइमेटिक, सतत, अनुकूलनशील, लचीली और टिकाऊ बनती हैं।
हालांकि, बायोमिमिक्री को अधिक कुशल प्रक्रिया बनाने के लिए उपकरणों को अधिक प्रभावी बनाना आवश्यक है। डिजाइनरों के अनुसार, यद्यपि बायोमिमिक्री उपकरणों की कमी नहीं है, अधिकांश बायोमेटिक उपकरण डिजाइनरों को अवधारणाएँ उत्पन्न करने और इन अवधारणाओं को बायोमिमेटिक्स के क्षेत्र से संभावित अनुप्रयोगों में मैप करने में मदद करते हैं, लेकिन ये उपकरण जैविक अवधारणाओं को निर्माण योग्य प्रोटोटाइप में अनुवाद करने के लिए व्यावहारिक सलाह प्रदान करने में कम होते हैं।
हालांकि, तकनीक में निवेश में उल्लेखनीय वृद्धि देखी गई है जो हमें प्रकृति‑आधारित डिज़ाइनों को दैनिक अनुप्रयोगों में अपनाने में मदद करती है। अनुमान के अनुसार, वैश्विक बायोमेटिक तकनीक बाजार 2017 में US$6.8 बिलियन से बढ़कर 2028 में US$18.5 बिलियन हो सकता है। US$6.8 बिलियन 2017 में से US$18.5 बिलियन 2028 में।
पहले के दिनों में, तकनीक और मशीनों का उद्देश्य हमारे जीवन को सरल बनाना था, दोहरावदार और निरंतर कार्यों को स्वचालित करके। आजकल, तकनीक को स्थिरता‑उन्मुख होना चाहिए ताकि वह उपलब्ध संसाधनों का विवेकपूर्ण उपयोग करे और हमारे ग्रह पर कार्बन उत्सर्जन के संदर्भ में न्यूनतम प्रभाव छोड़ दे।
प्रकृति‑प्रेरित डिज़ाइन तकनीक को अधिक कुशल बनाने का एक शानदार तरीका हो सकते हैं। इस प्रकार के डिज़ाइन से भविष्य में अधिक ध्यान और निवेश आकर्षित होगा।
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