मांसपेशी-आधारित एक्ट्यूएटर रोबोटिक समाधान की संभावनाओं को अधिकतम कर सकते हैं

A group of innovative engineers from MIT just created muscle-based actuators that could revolutionize robotics. The creative minds combined a specially designed mono-directional actuator with lab-grown muscle cells. This structure enabled the device to be lightweight and enhance performance. Here’s how this new muscle-based actuator could help power robots in the future.

Bio Flexures Muscle-Based Actuators

Advanced Intelligent Systems जर्नल में प्रकाशित एक पेपर बताता है कि बायो फ्लेक्सर का एक नया प्रकार दोहराने योग्य और विश्वसनीय परिणाम प्रदान कर सकता है, जो पहले के प्रयास से कई गुना अधिक कुशल है। इस कार्य को पूरा करने के लिए, टीम को फ्लेक्सर की अवधारणा को पुनः आविष्कार करना पड़ा।

Flexures

फ्लेक्सर लचीले यांत्रिक तत्व होते हैं जो एक्ट्यूएटर के रूप में कार्य कर सकते हैं। एक एक्ट्यूएटर वह डिवाइस है जो किसी प्रकार की ऊर्जा को नियंत्रित प्रतिक्रिया में बदल सकता है। ये अधिकांश रोबोटिक्स में किसी न किसी रूप में पाए जाते हैं और इन डिवाइसों में सुधार का तत्काल प्रभाव पड़ता है। कुछ एक्ट्यूएटर गर्मी, दबाव, बिजली और चुंबकीय ऊर्जा को बदलते हैं।
फ्लेक्सर स्प्रिंग जैसी डिवाइस होते हैं जो कठोर संरचना का उपयोग करके एक्ट्यूएटर के रूप में कार्य करते हैं। ये रोबोट में लोकप्रिय हैं क्योंकि इन्हें माइक्रो-सटीक गति प्रदान करने के लिए समायोजित किया जा सकता है। ये एक्ट्यूएटर छोटे और हल्के होते हैं, जिससे ये कार्यों के लिए आदर्श बनते हैं।

Biohybrid Flexures

MIT के इंजीनियरों ने नई सामग्री और डिज़ाइन के संयोजन का उपयोग करके अपनी रचना से बेहतर प्रदर्शन संभव किया। उदाहरण के लिए, उन्होंने एक पतले फ्लेक्सर डिज़ाइन बनाया जो कंकाल की तरह कार्य करता है। फ्लेक्सर में प्रत्येक कोने पर बेस लेयर से जुड़ी एक पिन होती है। इसमें ग्राउंड, कैम, मोबाइल और माउंट पिन भी होते हैं।
एक-दूसरे के भीतर कई आयतें इस तरह डिज़ाइन की गईं कि आवश्यकता पड़ने पर सटीक मांसपेशी तनाव उत्पन्न हो सके। इंजीनियरों ने फिर मांसपेशी बैंड को विशेष रूप से बंधा कर सटीक संकुचन प्रदान किए। इस टीम ने कई परीक्षण किए और डेटा एकत्र किया। विशेष रूप से, परिणाम आश्चर्यजनक थे, क्योंकि डिवाइस ने सभी आवश्यकताओं में सुधार किया। अतिरिक्त रूप से, यह डेटा सॉफ्ट रोबोट उद्योग में पहले निर्माण मानकों को स्थापित करने में मदद कर सकता है।

Testing

रिपोर्ट में बताया गया है कि शोधकर्ताओं ने अपने बायोहाइब्रिड एक्ट्यूएटर के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए मांसपेशी संकुचन गतिशील ट्यूनिंग की नई विधि बनाई। परीक्षण पोस्टों के बीच की दूरी मापने से शुरू हुआ। इसके बाद, फ्लेक्सर को खींचा गया और उसने पाँच बार प्रतिक्रिया दी।
यह फ्रिक्वेंसी-स्वतंत्र परीक्षण शोधकर्ताओं को यह सटीक रूप से निर्धारित करने में सक्षम बनाता है कि कब मांसपेशी थकान ने प्रदर्शन को प्रभावित किया। इस ट्यूनिंग ने उन्हें अपनी रचनाओं से अधिकतम सहनशक्ति प्राप्त करने और उनकी क्षमताओं का दबाव परीक्षण करने में मदद की। अधिक तीव्र परीक्षण ने रोचक परिणाम दिखाए। उदाहरण के लिए, यह पता चला कि उच्च अंतराल मांसपेशी फाइबर्स को तेज़ी से समाप्त कर देते हैं।

Adjustability

इंजीनियरों ने बेसों से जुड़ी बीमों की पतलापन या दूरी बदलकर फ्लेक्सर की शक्ति को समायोजित किया। लेआउट को मांसपेशी की प्राकृतिक गति को अनुकूलित करने और इसे फ्लेक्सर की कठोरता और गति की डिग्री के साथ मिलाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। विशेष रूप से, नया बायोहाइब्रिड फ्लेक्सर अब तक का सबसे शक्तिशाली और सटीक है।
यह नैनोमीटर सटीकता के साथ लचीला और खिंचाव कर सकता है, जिससे यह माइक्रो-रोबोटिक्स के लिए आदर्श बनता है। अतिरिक्त रूप से, बढ़ी हुई स्ट्रोक आउटपुट उच्च प्रदर्शन और विश्वसनीयता प्रदान करती है। इन कारकों ने शोध टीम को उनके निष्कर्षों में अधिक रुचि प्राप्त करने में मदद की है।

Skeletal Muscle Tissues

MIT टीम ने विभिन्न मांसपेशी प्रकारों का अध्ययन किया और फिर अपने अंतिम विकल्प का चयन किया। चूहे की मांसपेशी टिश्यू को उसकी उपलब्धता, किफायतीपन और लैब में उगाने की क्षमता के कारण चुना गया। परिणामी मांसपेशी फाइबर विश्वसनीय था और शोधकर्ताओं के अनुसार इस परियोजना को सफलता की ओर ले जाने में मदद की।

Muscle Fibers vs Synthetic Actuators

मांसपेशी फाइबर यांत्रिक और विद्युत ऊर्जा को नियंत्रित क्रियाओं में बदलने में उत्कृष्ट होते हैं। इसलिए, यह समझ में आता है कि रोबोटिक्स इंजीनियर इन लाभों की नकल करने की कोशिश करते हैं। पारंपरिक एक्ट्यूएटरों की तुलना में, बायोहाइब्रिड एक्ट्यूएटर अल्ट्रा-सटीक गति सक्षम करते हैं। वे शक्ति, दक्षता और अनुकूलनशीलता का संयोजन प्रदान करते हैं जो उन्हें चर्चा का विषय बनाता रहता है।
इसके अतिरिक्त, ये डिवाइस कम ऊर्जा का उपयोग करते हैं, क्षमताओं की अधिक ट्रैकबिलिटी प्रदान करते हैं, और बहुत छोटे हो सकते हैं। एक एक्ट्यूएटर की गुणवत्ता निर्धारित करने वाले मुख्य कारक हैं उसकी विश्वसनीय परिणाम प्रदान करने की क्षमता, टिकाऊपन, सटीकता, और बल क्षमता। मांसपेशी फाइबर एक्ट्यूएटर बाजार के लिए आदर्श समाधान के रूप में आशा दिखाते रहते हैं।

Biohybrid Robots

ऑर्गेनिक सामग्री का उपयोग करने वाले रोबोटों का विचार विज्ञान-कथा थ्रिलर जैसा लग सकता है। हालांकि, बायोहाइब्रिड रोबोट एक दशक से अधिक समय से मौजूद हैं। ये मशीनें प्राकृतिक पहलुओं, जैसे मांसपेशी फाइबर, को रोबोट कार्यों के साथ मिलाकर प्रभावशाली परिणाम बनाती हैं।
पहले से ही, ऐसे रोबोट हैं जो मांसपेशी-आधारित एक्ट्यूएटर का उपयोग करके तैराकी या नृत्य जैसी जटिल मानव कार्यों की नकल करते हैं। ये “सॉफ्ट रोबोट” संरचना और स्थिरता के लिए कृत्रिम कंकाल का उपयोग करते हैं। यह दृष्टिकोण इंजीनियरों को अधिक अभिव्यक्तिपूर्ण और सटीक गति बनाने में सक्षम बनाता है जो मानव हाथ की नाजुकता से मेल खा सके।

Types of Biohybrid Robots

आज उपयोग में कई विभिन्न प्रकार के बायोहाइब्रिड रोबोट हैं। ये डिवाइस आपके आसपास की दुनिया जितने विविध हैं। हालांकि, मुख्य तीन श्रेणियां माइक्रोऑर्गेनिज्म, टिश्यू, और कंकाल हैं।

• माइक्रोऑर्गेनिक रोबोट कोशिकाओं के घटकों में निर्मित होते हैं या उनका उपयोग करके कार्यों को पूरा करते हैं। वे अत्यंत छोटे होते हैं, जिससे वे असाधारण सटीकता की आवश्यकता वाले कार्यों के लिए आदर्श बनते हैं। इस प्रकार, ये छोटे रोबोट एक दिन आपको ठीक करने या आप जिस हवा को सांस लेते हैं उसकी स्वास्थ्य स्कैन करने में मदद कर सकते हैं।
• टिश्यू-आधारित बॉट्स लैब में उगाए गए मांसपेशी फाइबर और अन्य टिश्यू का उपयोग करते हैं। ये डिवाइस प्रॉस्थेटिक क्षेत्र में क्रांतिकारी बदलाव ला सकते हैं। कल्पना करें एक रोबोट जो अंधे लोगों को देखना या कटे हुए अंग वाले लोगों को चलना सिखाए। अतिरिक्त रूप से, जैविक टिश्यू को रोबोटिक्स के साथ मिलाने से छोटे दोहराव वाले कार्यों की लागत कम होती है और स्वयं-हीलिंग मशीनें संभव होती हैं।
• कंकाल-आधारित रोबोट बायो-आधारित कंकाल संरचना का उपयोग करते हैं जो उन्हें कुछ प्राकृतिक गतियों की नकल करने के लिए आदर्श बनाता है। चलना, कूदना और नृत्य करना सभी प्राकृतिक गतियों के उदाहरण हैं जिन्हें कंकाल-आधारित रोबोट लगातार महारत हासिल कर रहे हैं।

Challenges Faced By Soft Robots

सॉफ्ट रोबोट इंजीनियरों को सामना करने वाली मुख्य समस्याओं में से एक है एकीकृत डिजाइन और मॉडलिंग टूल्स की पूरी कमी। इस मानकीकरण की कमी ने उद्योग को सभी दिशाओं में बिखर दिया है, जिससे समान कार्यों को दोहराने में बहुत प्रयास बर्बाद हो रहा है। साथ ही, जैविक तत्वों की अप्रत्याशित प्रकृति एक और चर जोड़ती है जिससे इंजीनियरों को निपटना पड़ता है।

Duplication Problems

मशीन द्वारा निर्मित भागों के विपरीत, जिन्हें हर बार समान होने की गारंटी होती है, लैब-उगाए मांसपेशी कोशिकाएं अलग-अलग व्यवहार कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, आप जानते हैं कि मांसपेशी खींचे जाने पर संकुचित होगी, लेकिन हर बार वही परिणाम प्राप्त करना बिना विफलता के पहुँचना ही कुंजी है।
इसलिए, समान प्रदर्शन प्रदान करने वाले जैविक घटकों का निर्माण जटिल है। दिलचस्प बात यह है कि 3डी टिश्यू प्रिंटिंग में प्रगति भविष्य में इस समस्या को हल करने का द्वार खोल सकती है।

Standards

इस उद्यम की सफलता बायोहाइब्रिड रोबोटिक क्षेत्र में कुछ सार्वभौमिक मानकों को स्थापित करने में मदद कर सकती है। वर्तमान में, कई विभिन्न परियोजनाएं विभिन्न सेटअप का उपयोग करके समान लक्ष्य हासिल करने की कोशिश कर रही हैं। नवीनतम नवाचार को एक सार्वभौमिक बायो-मैकेनिकल एक्ट्यूएटर के रूप में डिज़ाइन किया गया था।
यह दृष्टिकोण रोबोटिक इंजीनियरों को इन डिवाइसों का उपयोग जब भी आवश्यक हो करने और विकास समय को कम करने में सक्षम बनाता है। अतिरिक्त रूप से, ये फिटिंग्स अन्य विकल्पों के साथ मिलकर किसी भी प्रकार की रोबोटिक कंकाल संरचना का समर्थन कर सकती हैं। यह मॉडल इंजीनियरों को जटिल बायोहाइब्रिड बनाने में सक्षम बनाता है जिन्हें विशिष्ट भूमिकाओं के लिए ट्यून किया जा सकता है।

MIT Engineers

इस लाभदायक प्रयास के पीछे की इंजीनियरों की टीम में रितु रमन, एलेक्स डी’आर्बेलॉफ, नाओमी लिंच, तारा शीहैन, निकोलस कास्त्रो, लौरा रोसाडो, ब्रैंडन रियोस, और मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर मार्टिन कुलपेपर शामिल हैं। विशेष रूप से, कुलपेपर को उनके लघु रोबोटिक तंत्रों में उद्यमों के लिए जाना जाता है।
यह अनुभव और उनकी नवाचार क्षमता ही थी जिसने टीम को अपनी अंतिम निर्णय पर पहुँचने से पहले विभिन्न एक्ट्यूएटरों का परीक्षण करने में सक्षम बनाया। उन्होंने पाया कि एकॉर्डियन-शैली की फिटिंग ने मांसपेशी टिश्यू को स्वाभाविक रूप से संकुचित करने के साथ-साथ स्प्रिंग की शक्ति को बढ़ाया।

Advantages of Biohybrid Tech

इंजीनियरों ने जीव विज्ञान और रोबोटिक्स को मिलाने के कई कारण हैं। यह संयोजन बाजार में असीम संभावनाएं ला सकता है। कल्पना करें ऐसे रोबोट जो काम करने के साथ मजबूत होते जाएँ या आवश्यकता पड़ने पर स्वयं को ठीक कर सकें और अनुकूलित हो सकें।

Sensory Perception

बायोहाइब्रिड रोबोट कोशिकीय स्तर पर जीव विज्ञान को एकीकृत करते हैं, जिसका अर्थ है कि ये डिवाइस ऑर्गेनिक सामग्री का उपयोग कर सकते हैं। प्रकृति में अद्भुत संवेदनात्मक अंग भरपूर होते हैं जो दिशा से लेकर विद्युत धड़कन तक सब कुछ महसूस कर सकते हैं। इंजीनियर इन प्राकृतिक सेंसरों को उपयोग में लाकर रोबोट क्षमताओं को विस्तारित करना चाहते हैं।

Brain Interface

बायोहाइब्रिड इंजीनियरों के लिए एक और फोकस क्षेत्र यह है कि लोग मशीनों के साथ कैसे इंटरैक्ट करते हैं, इसे सुधारना। उदाहरण के लिए, एलोन मस्क ने न्यूरल लिंक इंटरफ़ेस पर पर्याप्त फंडिंग की है, जो मस्तिष्क के न्यूरल नेटवर्क से जुड़ता है और विचारों से सीधे कमांड को समझता है।

Next-Gen Prosthetics

कई लोग स्वास्थ्य देखभाल को वह क्षेत्र मानते हैं जिसमें सॉफ्ट रोबोट एकीकरण से सबसे अधिक लाभ हो सकता है। वास्तविक मांसपेशी टिश्यू से बना एक प्रॉस्थेटिक सोचें, जिसे व्यक्ति सुधारने के लिए काम कर सके, और जो अंग के साथ जुड़ी संवेदनाओं को दोहराए।

Sustainability

बायोहाइब्रिड तकनीक का एक सबसे बड़ा लाभ यह है कि यह ऐसे रोबोट बना सकता है जो अपने पर्यावरण के साथ पूरी तरह से मेल खा सकें। ये डिवाइस एक दिन पर्यावरण की निगरानी कर सकते हैं और यहां तक कि उसे सुधारने में मदद कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, ऐसे सेंसरों की कल्पना करें जो प्रदूषण स्तर को ट्रैक और कम कर सकें।

Future Use Cases for Muscle-Based Actuators

इस प्रकार के मांसपेशी-आधारित एक्ट्यूएटर के कई भविष्य के उपयोग मामलों हैं। ये हल्के समाधान नई पीढ़ी के माइक्रो-रोबोटिक्स को शक्ति प्रदान करने में उपयोग किए जा सकते हैं। सिद्धांत ने दक्षता में सुधार सिद्ध किया है। इस प्रकार, एवियोनिक्स से लेकर स्वास्थ्य देखभाल तक, टीम की कार्रवाइयों पर बहुत ध्यान दिया जा रहा है।

Robots Get Lighter, Smaller, and More Accurate

पावर खपत और वजन को कम करना समझदारी है। आप अपने डिवाइसों से अधिक जीवनकाल और शक्ति प्राप्त करते हैं। परिणामस्वरूप, अधिक इंजीनियर पावर-प्रभावी विकल्पों की तलाश करते हैं जिन्हें विभिन्न परिदृश्यों में आसानी से अनुकूलित किया जा सके। बायोहाइब्रिड एक्ट्यूएटर जीव विज्ञान और रोबोटिक्स को सहजता से मिलाता है ताकि जीवन, दक्षता और क्षमताओं में सुधार हो सके। इन कारणों से, इस परियोजना को आगे बढ़ते हुए निगरानी करना योग्य है।

आप रोबोटिक्स में रोमांचक विकास के बारे में अधिक जान सकते हैं यहाँ.