नैनोस्ट्रिंग्स कंपन-आधारित सेंसरों के लिए नई सीमाएँ खोलते हैं, व्यापक उपयोग के लिए अपनाए जाने हेतु

आधुनिक माइक्रोचिप्स और परिष्कृत सेंसर ऐसे उपकरण हैं जो हमें इस तेज़ संचार युग में घातीय प्रगति करने में मदद करते हैं। नई शोध ने एक नई प्रकार की नैनोस्ट्रिंग बनाने का मार्ग प्रशस्त किया है, जो किसी भी पूर्व ज्ञात ठोस-स्थिति वस्तु से अधिक समय तक कंपन कर सकती है, और यह एक बड़ी उपलब्धि साबित हो सकती है। यह अत्यधिक संवेदनशील सेंसरों को मानक माइक्रोचिप तकनीक के साथ एकीकृत करने में मदद कर सकता है, जिससे कंपन-आधारित संवेदन के क्षेत्र में एक नया पैरेडाइम स्थापित होगा।

दुनिया के सबसे संवेदनशील सेंसर: नैनोटेक्नोलॉजी और मशीन लर्निंग की सीमाओं को आगे बढ़ाते हुए 

TU Delft और Brown University के शोधकर्ताओं की एक टीम ने स्ट्रिंग्स के समान प्रतिध्वनि यंत्र विकसित किए हैं और ये सामान्य तापमान पर किसी भी अन्य ठोस-स्थिति वस्तु की तुलना में अधिक समय तक कंपन कर सकते हैं। पहले यह परिणाम केवल लगभग शून्य के निरपेक्ष तापमान पर ही प्राप्त किया जा सकता था। 

वैज्ञानिक दृष्टिकोण से, शोधकर्ताओं ने नैनोमैकेनिकल प्रतिध्वनि यंत्र प्रस्तुत किए हैं जो सेंटीमीटर लंबाई तक विस्तारित होते हैं जबकि उनकी मोटाई नैनोमीटर स्तर पर बनी रहती है। इस गुण के कारण नैनो स्ट्रिंग्स कमरे के तापमान वाले वातावरण में किसी भी क्लैंपिंग वस्तु की तुलना में सबसे उच्च यांत्रिक गुणवत्ता रखती हैं। इस मामले में क्लैंपिंग वस्तु एक माइक्रोचिप है। 

शोधकर्ताओं ने उच्च उपज प्राप्त करने में मदद करने वाली नाज़ुक नैनोफैब्रिकेशन तकनीकों को लागू किया। 

कार्यात्मक दृष्टिकोण से समझाने के लिए, जब यह देखा गया कि एक कंपन करने वाली वस्तु से ऊर्जा कितनी अच्छी तरह बाहर निकलती है, तो इन स्ट्रिंग्स ने विशेष रूप से कंपन को फँसाया और उसकी ऊर्जा को बाहर निकलने नहीं दिया। 

मशीन लर्निंग ने नैनोफैब्रिकेशन और डिजाइन अनुकूलन के बीच समन्वय को मार्गदर्शित किया। यांत्रिक गुणवत्ता इतनी बढ़ गई कि आवृत्तियाँ 10 बिलियन किलोहर्ट्ज़ तक पहुँच गईं। ऐसी यांत्रिक आवृत्तियाँ अग्रणी क्रायोजेनिक प्रतिध्वनि यंत्रों और लिविटेटेड नैनोस्फीयर की प्रदर्शन के बराबर हैं। 

एसोसिएट प्रोफेसर रिचर्ड नॉर्टे, शोध के महत्व को समझाते हुए, ने कहा:

“कल्पना कीजिए एक झूला जो एक बार धकेला जाने के बाद लगभग 100 साल तक झूलता रहे क्योंकि रस्सियों से लगभग कोई ऊर्जा नहीं निकलती। हमारी नैनोस्ट्रिंग्स कुछ इसी तरह करती हैं, लेकिन झूले की तरह प्रति सेकंड एक बार नहीं, बल्कि हमारी स्ट्रिंग्स प्रति सेकंड 100 हजार बार कंपन करती हैं। क्योंकि ऊर्जा का रिसाव मुश्किल है, इसका मतलब यह भी है कि पर्यावरणीय शोर को अंदर आने में कठिनाई होती है, जिससे ये कमरे के तापमान वाले वातावरण के लिए सबसे अच्छे सेंसर बनते हैं।”

समाधान के निर्माण प्रक्रिया में इस बदलाव से नैनोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में एक क्रांतिकारी परिवर्तन का संकेत मिलता है। इस कारण को समझाते हुए, शोध के प्रमुख, डॉ. एंड्रिया क्यूपर्टिनो ने कहा कि यद्यपि स्ट्रिंग्स को स्केल अप करने पर वे 3 सेमी लंबी और 70 नैनोमीटर मोटी होती हैं, वे ‘एक किलोमीटर से आधा लंबा कांच का गिटार स्ट्रिंग बनाना, जिसमें लगभग कोई झुकाव न हो’ के बराबर हैं। 

इन गुणों के कारण समाधान अत्यधिक दैनिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनता है, जिसे अब तक नैनोटेक्नोलॉजी के परिप्रेक्ष्य में प्राप्त करना बहुत कठिन माना जाता था। 

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समाधान की अनुप्रयोग संभावनाएँ

यह नवाचार कमरे के तापमान पर मैक्रोस्कोपिक क्वांटम घटनाओं के अध्ययन के क्षेत्र में नई सीमाएँ खोलता है। अब तक, इस अध्ययन को शोर ने ढँका हुआ था। हालांकि, नैनो स्ट्रिंग्स इन शोर को अलग कर सकती हैं, जिससे अरबों परमाणुओं से बनी स्ट्रिंग्स में क्वांटम मैकेनिक्स के नियम पहचानने योग्य हो जाते हैं। यह घटना पहले केवल एकल परमाणु तक सीमित थी। एकल परमाणु से कई परमाणुओं की स्ट्रिंग की ओर यह बदलाव दैनिक वातावरण में क्वांटम-आधारित संवेदन के लिए बड़ी संभावनाएँ रखता है। 

नैनोस्ट्रिंग्स छोटे उपकरणों में ऐसी संरचनाएँ बनाने की भी अनुमति देती हैं जो दबाव, तापमान, त्वरण और चुंबकीय क्षेत्रों जैसे भौतिक मात्राओं को मापने में विशेष रूप से उपयोगी हों, जिन्हें MEMS संवेदन कहा जाता है। 

वैज्ञानिक आशा करते हैं कि यह शोध अब तक के लागू विज्ञान की सीमाओं से परे जाकर दिखाएगा कि अत्यधिक संवेदनशील सेंसरों को मानक माइक्रोचिप तकनीक के साथ कैसे एकीकृत किया जा सकता है, जिससे शोधकर्ताओं के लिए कंपन-आधारित संवेदन में नई संभावनाएँ उत्पन्न होंगी। 

यदि इस अध्ययन का दायरा विस्तारित किया जाए, तो यह कई महत्वपूर्ण पैरामीटरों को मापने में सक्षम अधिक जटिल डिज़ाइनों के विकास की ओर ले जा सकता है, जैसे इनर्शियल नेविगेशन के लिए त्वरण या अगली पीढ़ी के माइक्रोफ़ोन के लिए कंपन करने वाला ड्रमहेड। 

काफी समय से, शोधकर्ता कंपन सेंसरों की संभावनाओं का मूल्यांकन करने में रुचि रखते आए हैं, जो एक गैर-आक्रामक निगरानी तकनीक है। उपलब्ध शोध की समीक्षा से पता चला कि कंपन-आधारित संवेदन तकनीकें मानव, बुनियादी ढाँचा, सुरक्षा और स्वास्थ्य निगरानी सहित कई क्षेत्रों में उपयोगी साबित हो सकती हैं। 

आगे के खंडों में, हम उन अनुप्रयोग क्षेत्रों की जाँच करेंगे जो नैनोस्ट्रिंग कंपन से जुड़े शोध से लाभान्वित हो सकते हैं। 

वाइब्रेशन-आधारित सेंसर तकनीकें हमें समाधान विकसित करने में कैसे मदद करती हैं

वाइब्रेशन-आधारित प्रेषण तकनीकें निदान और स्वास्थ्य देखभाल में अत्यंत उपयोगी हैं। कारण सरल है। हमारे शरीर में प्राकृतिक शारीरिक गतिविधियों के कारण उत्पन्न यांत्रिक तरंगें कई शारीरिक घटनाओं की जानकारी वाले संकेत प्रदान करती हैं, जैसे शरीर की दिशा, श्वास, धड़कन, चलना, गतिशीलता आदि। इन यांत्रिक‑कंपन संकेतों को पकड़ने के लिए परिष्कृत वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन तकनीकों की आवश्यकता होती है। 

ये संवेदन तकनीकें दैनिक जीवन की कई मानवीय गतिविधियों, जैसे Activity of Daily Living (ADL) आदि की भी निगरानी करती हैं। इसमें एक्सेलेरोमीटर, गैरोस्कोप और मैग्नेटोमीटर जैसे जड़त्वीय सेंसर, इलेक्ट्रोकार्डियोग्राम उपकरण, त्वचा तापमान सेंसर और बल/दबाव सेंसर जैसे शारीरिक स्वास्थ्य सेंसर शामिल हैं। 

वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन इन सभी सेंसरों में सफल निष्कर्ष निकालने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। वे वहनीयता सूचना अनुमान सेवाओं में भी उपयोगी समाधान प्रदान करते हैं। इन सेवाओं में संपत्ति ट्रैकिंग, किसी स्थान में लोगों की संख्या का अनुमान, लॉजिस्टिक्स, सुरक्षा आदि परिदृश्य शामिल हैं। 

ये समाधान विषयों की स्थिति को उनके सीमित स्थान के सापेक्ष वर्णित करने में मदद करते हैं। यह मानव पहचान में भी सहायक है। यह अधिकृत उपयोगकर्ताओं और घुसपैठियों की पहचान करने या गिरने का पता लगाने में मदद करता है। 

वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन का एक अन्य क्षेत्र बुनियादी ढाँचे के स्वास्थ्य की निगरानी है, विशेष रूप से भूकंपीय कंपन से उत्पन्न इमारतों को हुए नुकसान का पता लगाना। आजकल, ये समाधान तूफ़ान, हरिकेन और विस्फोट जैसी स्थितियों में भी बुनियादी ढाँचे के स्वास्थ्य का वैज्ञानिक रूप से सिद्ध मूल्यांकन प्रदान करके मदद करते हैं।

कई प्रौद्योगिकी कंपनियों ने पहले ही लोकप्रिय समाधान विकसित किए हैं जो वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन के लाभों का उपयोग करते हैं। यहाँ चर्चा किया गया शोध उन्हें आगे की प्रगति में मदद करेगा। एक ऐसा वैश्विक मान्यता प्राप्त समाधान प्रदाता Rockwell Automation (ROK ) है। 

#1. Rockwell Automation

https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=fd31kgQo3FA&embeds_referring_euri=https%3A%2F%2Fwww.jpsargentina.com%2F&feature=emb_imp_woyt

Rockwell Automation के कंडीशन मॉनिटरिंग सेंसर अधिकांश अनुप्रयोगों में अत्यधिक तापमान वाले वातावरण और खतरनाक स्थानों में कंपन और स्थिति मापने में मदद करते हैं। 

उदाहरण के लिए, Rockwell का बुलेटिन 1442 एडी करंट प्रोब सिस्टम शाफ्ट कंपन, फेज/स्पीड रेफरेंस और औद्योगिक मशीनरी में रोटर/थ्रस्ट स्थिति को मापने में मदद करता है। श्रृंखला का अगला उत्पाद, बुलेटिन 1443 सीरीज़ एक्सेलेरोमीटर सेंसर, औद्योगिक मशीनरी पर भी कंपन माप सकता है। यह एक परिष्कृत एक्सेलेरोमीटर है जिसका आवृत्ति रेंज 0.2 Hz (12 CPM) से लेकर 26 kHz (1560 kpm) तक विस्तृत है।

Rockwell Automation के पास एक ऐसा समाधान भी है जो प्रेडिक्टिव मेंटेनेंस प्रयासों का समर्थन करता है और पोर्टेबल डेटा कलेक्टर के साथ प्रमुख मशीनरी कंपन निदान प्रदान करता है, जो विभिन्न विश्लेषण कार्यों को माप, प्रक्रिया, प्रदर्शित और संग्रहीत कर सकता है। जब कम आवृत्तियों पर काम किया जाता है, तो समाधान 0.2 Hz या 12 kpm तक नीचे जा सकता है। उच्च पक्ष में यह 30 kHz या 1800 kpm तक जा सकता है। यह बहुत उच्च तापमान, 260 डिग्री सेल्सियस या 500 डिग्री फ़ारेनहाइट तक भी काम कर सकता है। 

Rockwell का लूप‑पावर्ड, 4‑20 mA आउटपुट वाला कंपन सेंसर कई प्रकार की घूर्णन मशीनरी द्वारा उत्पन्न कुल कंपन स्तरों का प्रतिनिधित्व करने वाले संकेतों को मापता है। इसके अंतर्निहित सुरक्षित एक्सेलेरोमीटर में खतरनाक वातावरण की मांगों को पूरा करने के लिए विशेष क्षमताएँ हैं। 

वित्तीय वर्ष 2023 में, Rockwell Automation ने राजस्व दर्ज किया जो US$9.058 बिलियन से अधिक था, जो 2022 के US$7.76 बिलियन राजस्व की तुलना में उल्लेखनीय वृद्धि है।

#2. Omron

एक और वैश्विक कंपनी जो वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन तकनीकों में उत्कृष्ट कार्य कर रही है, वह Omron है। इसने विश्व का सबसे छोटा वर्ग आकार, उच्च‑सटीकता वाला भूकंपीय सेंसर बनाया है। यह IoT‑फ्रेंडली कंपन सेंसर ब्रांड नाम D7S के तहत है। 

D7S एक भूकंपीय सेंसर है जो भूकंपों से द्वितीयक आपदाओं को कम करने में मदद करता है। इसकी अल्ट्रा‑छोटी आकार के कारण यह किसी भी उपकरण में फिट हो सकता है। एक स्पेक्ट्रल इंटेंसिटी उच्च‑सटीकता भूकंप संकेतक होने के कारण यह इम्पल्स कंपन शोर को अस्वीकार करता है और संरचनाओं को हुए नुकसान के साथ उच्च स्तर पर सहसंबंध रखता है। IoT‑फ्रेंडली होने से यह भूकंप मानचित्र और बचाव मानचित्र बनाने में मदद करता है। 

अनुप्रयोग के दृष्टिकोण से, यह अर्धचालक, रासायनिक संयंत्र और वितरण पैनलों में द्वितीयक क्षति को रोकने में मदद करता है। उपयोगकर्ता इन सेंसरों को अपने घरों में वितरण पैनलों, अग्नि‑रोकथाम प्रणालियों और घरेलू उपकरणों में तैनात कर सकते हैं। समाज इन सेंसरों से बिजली मीटर, राजमार्ग, पुल, रेलवे आदि में लाभान्वित हो सकता है। 

कई अन्य विशेषताएँ D7S को उसके प्रतिस्पर्धियों से अलग करती हैं। उदाहरण के लिए, इसका 3‑अक्षीय त्वरण सेंसर और अनूठा SI मान गणना एल्गोरिदम सतह‑माउंटेबल कॉम्पैक्ट मॉड्यूल और कम शक्ति खपत प्रदान करता है। इसकी अपेक्षाकृत अधिक डिग्री ऑफ़ फ्रीडम इसे उपकरणों में समावेश और बैटरी पावर पर दीर्घकालिक संचालन के लिए अनुकूल बनाता है। सबसे महत्वपूर्ण, इसका शट‑ऑफ़ आउटपुट टर्मिनल (INT1) पारंपरिक यांत्रिक कंपन सेंसर के समान कार्य करता है, जिससे यांत्रिक कंपन सेंसरों के साथ संगतता सुनिश्चित होती है। 

वित्तीय वर्ष 2023 में, Omron ने वार्षिक राजस्व 890 अरब येन अर्जित किया, जो पिछले वर्ष के 876.1 अरब येन से 2 % से कम की वृद्धि है। 

वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन का भविष्य

विश्व भर के शोधकर्ता वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन तकनीकों और सेंसरों के क्षेत्र में कई रोचक शोध परियोजनाएँ कर रहे हैं। 2021 में, एक शोधकर्ता टीम ने एक VibroTag नामक समाधान प्रस्तावित किया, जो विभिन्न हार्डवेयर वाले स्मार्टफ़ोन के साथ काम कर सकता है और एक मजबूत व व्यावहारिक वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन योजना प्रदान करता है। 

यह विभिन्न सतहों के सूक्ष्म‑वाइब्रेशन हस्ताक्षर निकाल सकता है, पर्यावरणीय शोर और हार्डवेयर‑आधारित अनियमितताओं के प्रभाव को बायपास करते हुए। शोधकर्ताओं ने VibroTag को दो विभिन्न एंड्रॉइड फ़ोन पर लागू किया और कई पर्यावरणों में उनका मूल्यांकन किया, चार व्यक्तियों से कई दिनों तक डेटा एकत्र किया। VibroTag ने औसत 86.55 % सटीकता प्राप्त की और 24 विभिन्न स्थान/सतहों को पहचान सका, भले ही कुछ सतहें समान सामग्री की बनी हों।

बोलोग्ना विश्वविद्यालय के स्मार्ट मैटेरियल्स और स्ट्रक्चर हेल्थ मॉनिटरिंग (SMASH) शाखा के एक अन्य शोधकर्ता समूह ने एक नवीन, कम‑लागत, हल्का सेंसर नोड (SN) प्रस्तावित किया, जो दीर्घकालिक और वास्तविक‑समय ध्वनिक उत्सर्जन (AE) और कंपन (ACC) निगरानी के लिए तेज़‑तैनाती सेंसर नेटवर्क प्रदान कर सकता है। सेट‑अप इस तरह बनाया गया था कि समाधान बाहरी शोर के प्रति संवेदनशीलता को काफी हद तक कम कर सके। सेंसर‑निकट मॉनिटरिंग दृष्टिकोण ने कच्चे डेटा की मात्रा को अत्यधिक घटा दिया, जिसे NDT और SHM उद्देश्यों के लिए प्रोसेस और संग्रहीत करना होता है। 

एक अन्य शोध ने नैनोटेक्नोलॉजी को वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन के साथ मिलाकर एक कम‑आवृत्ति कंपन सेंसर (LV‑TENG) विकसित किया, जो कैंटिलिवर‑बीम‑संरचित ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर पर आधारित है। यह सेंसर उच्च‑सटीकता वाली कंपन संवेदन कर सकता है और प्रभावी रूप से कंपन ऊर्जा एकत्र कर सकता है।

LV‑TENG की दक्षता पर किया गया प्रयोग अत्यधिक सकारात्मक रहा। यह 0.1 Hz से 5.0 Hz की आवृत्ति और 2.0 mm से 10.0 mm की आयाम के साथ संरचना कंपन को सही ढंग से महसूस कर सकता है। आउटपुट वोल्टेज भी आवृत्ति के साथ सकारात्मक रैखिक संबंध दर्शाता है, जिसका फिटेड सहसंबंध गुणांक 0.994 तक पहुँचता है। शोधकर्ता आश्वस्त थे कि LV‑TENG कम‑आवृत्ति कंपन निगरानी के लिए एक नया मार्ग प्रदान कर सकता है और समुद्री इंजीनियरिंग में संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी विश्लेषण के लिए उपयोग किया जा सकता है।

बुनियादी ढाँचे के स्वास्थ्य, मानव स्वास्थ्य स्थितियों और व्यवहार पैटर्न की प्रत्यक्ष एवं अप्रत्यक्ष निगरानी मानव जीवन को अत्यधिक लाभ पहुँचा सकती है। यह क्षति को कम कर मनुष्य और मशीन दोनों के जीवन को बेहतर बना सकता है। वाइब्रेशन‑आधारित संवेदन ऐसे निगरानी कार्यों को करने का प्रभावी तरीका है। इन संवेदन उपकरणों या सेंसरों में नैनोटेक्नोलॉजी का समावेश समाधान को उपयोग में आसान बनाता है, क्योंकि वे अत्यधिक पोर्टेबल हैं और पहनने योग्य या न पहनने योग्य उपकरणों के हिस्से के रूप में फिट हो सकते हैं।

प्रौद्योगिकी ने कम लागत और कम ऊर्जा खपत के कारण भी बहुत लोकप्रियता हासिल की है। परिणामस्वरूप, यह समाधान इनडोर और आउटडोर दोनों निगरानी की जरूरतों को पूरा करता है। भविष्य में, शोधकर्ता मानते हैं कि गैर‑आक्रामक समाधानों पर अधिक तीव्र शोध होगा। 

अनुप्रयोग के दृष्टिकोण से, इसमें स्मार्ट होम और पर्यावरणीय अनुप्रयोगों के व्यापक स्पेक्ट्रम को कवर करने की क्षमता है। हालांकि, इन सेंसरों को पारंपरिक संवेदन तंत्रों के विकल्प बनाने के लिए सिग्नल प्रोसेसिंग क्षमताओं और मशीन लर्निंग तकनीकों के उपयोग पर अधिक कार्य करना आवश्यक है। 

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