अल्ट्रासाउंड मसल्स: सॉफ्ट रोबोटिक्स का भविष्य

ध्वनि-नियंत्रित मसल्स का निर्माण

For most of history, mechanical energy was provided by muscles, whether human or animal. It is only with the onset of the Industrial Revolution that energy from wind (windmills), water (watermills and dams), and combustion (steam engines, combustion engines) could be harvested.

लेकिन ये यांत्रिक प्रणालियां हमेशा प्राकृतिक गति से कुछ हद तक कमतर रही हैं, जिनके लिए जटिल सिस्टम और रखरखाव की आवश्यकता होती है ताकि तुलना में अपेक्षाकृत कम गति की स्वतंत्रता प्राप्त की जा सके।

यह अभी भी रोबोटों के लिए एक समस्या है, जिन्हें सीधा रहने के लिए बहुत जटिल इलेक्ट्रिक मोटरों और उन्नत सॉफ्टवेयर की आवश्यकता होती है। मुख्य चुनौती यह है कि पूरी तरह नियंत्रित और पर्याप्त लचीली गति बनाई जाए।

इसलिए, क्योंकि मांसपेशी गति उत्पन्न करने का एक अत्यंत श्रेष्ठ तरीका है, वैज्ञानिक एक कृत्रिम संस्करण बनाने की तलाश में हैं, जिसे बिजली से चलाया जा सके। अब तक प्रस्तावित सामग्री प्रदर्शन, लागत या निर्माण विधि में हमेशा कम रही हैं।

यह बदलाव नई कृत्रिम मांसपेशी डिजाइन के कारण हो सकता है, जिसे ETH Zürich (स्विट्ज़रलैंड), University of Münster (जर्मनी), और University of Nebraska-Lincoln (USA) के शोधकर्ताओं ने प्रस्तावित किया है।

उन्होंने प्रतिष्ठित वैज्ञानिक जर्नल Nature¹ में शीर्षक “Ultrasound-driven programmable artificial muscles” के तहत प्रकाशित किया।

अल्ट्रासाउंड-चालित मसल्स कैसे काम करती हैं

Muscles work by increasing or decreasing the length of the muscle, pulling on the bone to which it is attached.

अब तक कृत्रिम मांसपेशियों ने इस विचार को विभिन्न प्रकार की सामग्रियों के साथ दोहराने की कोशिश की है:

• कार्बन नैनोट्यूब्स
• आकार-स्मृति मिश्रधातु
• न्यूमैटिक (हवा) या हाइड्रॉलिक सिस्टम

इन सभी प्रणालियों को विश्वसनीयता, सूक्ष्म नियंत्रण, ऊर्जा खपत, या अत्यधिक लागत में से किसी न किसी समस्या का सामना करना पड़ा।

“रासायनिक विधियों को अक्सर ऐसे ईंधन की आवश्यकता होती है जो विषाक्त हो सकते हैं, प्रकाश-आधारित प्रणालियों को सीमित ऊतक प्रवेश और संभावित थर्मल क्षति का सामना करना पड़ता है, और चुंबकीय प्रणालियों को बड़े हार्डवेयर की जरूरत होती है जबकि जूल हीटिंग का जोखिम रहता है।”

इस अध्ययन के शोधकर्ताओं ने कृत्रिम मांसपेशी को नियंत्रित करने के लिए एक नया और अलग दिशा अपनाई: ध्वनि।

अल्ट्रासाउंड के लाभ

रोबोटिक्स या बायोमेडिकल इम्प्लांट्स में उपयोग के लिए, अल्ट्रासाउंड एक आसान-से-निर्माण नियंत्रण विधि है जो पूरी तरह से गैर-ध्वंसात्मक है।

अल्ट्रासाउंड वायरलेस, रिमोट होते हैं, बाहरी परतों (जैसे जैविक ऊतक) से बिना नुकसान के गुजरते हैं, और उच्च स्थानिक चयनशीलता (लक्ष्यीकरण) रखते हैं।

यह तकनीक कम लागत पर सामान्यतः उपयोग की जाती है, जिसमें क्लिनिकल सेटिंग भी शामिल है।

समग्र रूप से, अल्ट्रासाउंड बायोमेडिकल और इन विवो अनुप्रयोगों के लिए उत्तम हैं, लेकिन इसे रोबोटिक्स जैसे अन्य क्षेत्रों में भी उपयोग किया जा सकता है, विशेषकर तथाकथित सॉफ्ट रोबोटिक्स में।

अल्ट्रासाउंड शोधकर्ताओं में तेजी से लोकप्रिय हो रहे हैं, जो इन्हें मेडिकल इम्प्लांट्स को वायरलेस रूप से शक्ति देने, जीवित ऊतक बायोप्रिंट करने, और बायोमॉनिटरिंग के लिए उपयोग कर रहे हैं।

कृत्रिम मांसपेशियों में माइक्रोबबल सामग्री

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री बनाई जिसमें सटीक रूप से निर्मित माइक्रोबबल की श्रृंखला थी, जो सही अल्ट्रासाउंड अनुनाद के संपर्क में आने पर सामग्री को मोड़ देती है।

स्रोत: Nature

जब माइक्रोबबल श्रृंखला के आकार को बदलते हैं, तो यह निर्धारित करता है कि सामग्री का कौन सा भाग किस अल्ट्रासाउंड आवृत्ति पर प्रतिक्रिया देगा।

स्रोत: Nature

अब तक, कृत्रिम मांसपेशी में अल्ट्रासाउंड द्वारा उत्पन्न बल व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत कमजोर रहा है। लेकिन यह नया डिजाइन बहुत अधिक मजबूत है (7.6 μN/mm²), जिससे यह अवधारणा संभावित कृत्रिम मांसपेशी सामग्री के अग्रभाग में आ गई है।

एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन मोल्ड माइक्रोपिलर एरेज़ के साथ बनाया गया, जिसे सॉफ्ट लिथोग्राफी का उपयोग करके सिलिकॉन वेफ़र पर पैटर्न किया गया, ताकि सिलिंड्रिकल माइक्रोकैविटी के लिए नकारात्मक मोल्ड के रूप में कार्य किया जा सके।

फिर सिलिकॉन वेफ़र पर पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS) की एक पतली परत स्पिन-कोटिंग की गई, जिससे वांछित माइक्रोबबल सामग्री बनी।

अंतिम सामग्री ने एक कृत्रिम मांसपेशी (3 सेमी × 0.5 सेमी × 80 μm) बनाई, जिसमें 10,000 से अधिक समान माइक्रोबबल क्याविटी में (40 μm व्यास, 50 μm गहराई) मौजूद हैं।

अल्ट्रासाउंड के साथ नियंत्रित गति बनाना

क्योंकि सामग्री के विभिन्न भाग विभिन्न आवृत्तियों पर प्रतिक्रिया देते हैं, अल्ट्रासाउंड को मॉड्यूलेट करके सटीक नियंत्रित लहरदार गति बनाई जा सकती है, उदाहरण के लिए। शोधकर्ताओं ने सामग्री की वास्तविक दुनिया के साथ अंतःक्रिया का परीक्षण किया, जैसे मछली के लार्वा को फँसाना, बादाम को घुमाना, या घास की डाली को चलाना। इसने यह भी दिखाया कि यह विधि जीवित जीवों के लिए हानिरहित है, बिना किसी गर्मी या नकारात्मक प्रभाव के।

शोधकर्ताओं ने फिर परीक्षण किया कि क्या सामग्री को जैविक ऊतकों को जोड़ने और चलाने के लिए उपयोग किया जा सकता है। इसके लिए उन्होंने इसे एक सूअर के दिल के साथ परीक्षण किया। अल्ट्रासाउंड-नियंत्रित एक्ट्यूएटर जुड़े रहे और गति जारी रखी, जिससे बल ऊतक तक पहुंचा।

स्रोत: Nature

उन्होंने सामग्री की दवा वितरण क्षमता का भी परीक्षण किया, जहाँ अल्ट्रासाउंड को माइक्रोबबल पैच से सामग्री की रिहाई के ट्रिगर के रूप में उपयोग किया गया।

इन-विवो रोबोट्स को चलाना

अंत में, शोध ने एक “मिनी-स्टिंगरे बॉट” बनाया, जिसकी लहरें तरल वातावरण में गति को नियंत्रित कर सकती हैं।

स्रोत: Nature

उन्होंने फिर सफलतापूर्वक स्टिंगरे बॉट की गति को सूअर के पेट और आंत में परीक्षण किया।

रिलीज़ पर, स्टिंगरे बॉट लगभग 0.8 शरीर लंबाई प्रति सेकंड की प्रारंभिक गति से आगे बढ़ता है, जो प्रणाली की पशु के आंतरिक अंगों के भीतर गति करने की क्षमता को दर्शाता है।

स्रोत: Nature

समग्र रूप से, इन प्रयोगों ने वायरलेस और पहनने योग्य उपकरणों के इन-विवो उपयोग के लिए सामग्री की संभावनाओं की पुष्टि की।

अनुप्रयोग

अध्ययन ने संभावित बायोमेडिकल अनुप्रयोगों पर ध्यान केंद्रित किया, क्योंकि यह तकनीक का सबसे सीधा अनुपयोग हो सकता है। सॉफ्ट रोबोटिक्स का उपयोग चिकित्सा में उपयोग होने वाली सामग्रियों को एकीकृत करने के लिए बढ़ता जा रहा है, उदाहरण के लिए, सही अंग तक एंटी-कैंसर दवाओं या अन्य उपचारों की डिलीवरी।

यह विधि बड़े टुकड़ों तक, कम से कम सेंटीमीटर स्केल तक, और कई स्वतंत्रता डिग्री के साथ विस्तारित की जा सकती है।

भविष्य में, ऐसी कृत्रिम मांसपेशियों का उपयोग रोबोटिक्स, लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स, पहनने योग्य तकनीकों, प्रोस्थेटिक्स, बायोमेडिकल उपकरण आदि में किया जा सकता है।

अधिक सुधार इस अवधारणा को और अधिक शक्तिशाली और उपयोगी बना सकते हैं:

• ऐसा लगता है कि अभिसारी ट्रैपेज़ॉइडल गुहाएँ विचलित आकारों की तुलना में लगभग 3 गुना अधिक प्रवाह गति उत्पन्न कर सकती हैं। इसलिए ज्यामितीय और घनत्व अनुकूलन से अनुकूलित विकृति प्रोफ़ाइल वाले एक्ट्यूएटर बनाए जा सकते हैं।
• एक कॉन्फोकल ध्वनि स्रोत अधिक मजबूत विकृति और कृत्रिम मांसपेशी के विशिष्ट भाग को अधिक सटीक रूप से लक्षित कर सकता है।
• हाइड्रोजेल और बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर का उपयोग अधिक बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए भी किया जा सकता है।

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हेल्थटेक में निवेश 

Philips एक प्रसिद्ध छोटे इलेक्ट्रॉनिक्स उपभोक्ता ब्रांड (शेवर्स, इलेक्ट्रिक टूथब्रश) है, जो स्वास्थ्य देखभाल में भी सक्रिय है। उदाहरण के लिए, यह 2022 में यूरोप में MedTech पेटेंट फाइलिंग के लिए #1 था और अगले वर्षों में टॉप 3 में रहा।

यह कनेक्टेड मेडिकल उत्पादों में सक्रिय है, जैसे पहनने योग्य उपकरण, इमेजिंग, रेस्पिरेटर, और मेडिकल रोबोट।

कंपनी सेमीकंडक्टर्स (जिसमें मैग्लेव तकनीक शामिल है) और हाई-टेक/रोबोटिक्स/ऑटोमेशन में भी सक्रिय है, जहाँ प्रत्येक गतिविधि एक सामान्य तकनीकी आधार साझा करती है।

स्रोत: Philips

Philips हृदय, श्वसन, और गतिविधि मीट्रिक के लिए पहनने योग्य उपकरण प्रदान करता है। इसके सेंसर स्मार्टवॉच, स्वास्थ्य मॉनिटर, मेडिकल पैच, और एक्टिविटी ट्रैकर में एकीकृत किए जा सकते हैं।

बायो-कम्पैटिबल सेंसर, सेमीकंडक्टर्स, और वायरलेस समाधान में Philips की विशेषज्ञता इसे अल्ट्रासाउंड का उपयोग करने वाले उन्नत मेडिकल इम्प्लांट्स में अग्रणी बना सकती है।

मेडिकल डिवाइस के लिए, Philips साझेदारी समाधान को प्राथमिकता देता है, जहाँ वह तृतीय पक्षों के लिए उनके कनेक्टेड IoT (इंटरनेट ऑफ थिंग्स) मेडिकल डिवाइस विकसित करता है जो Philips के अन्य समाधान के साथ पूरी तरह संगत होते हैं। इस संदर्भ में, यह अपने ग्राहकों को प्रोटोटाइपिंग, नियामक सलाह, एंड-टू-एंड उत्पाद विकास, और औद्योगिक स्तर पर उत्पादन प्रदान करता है।

यह Philips को एक प्रौद्योगिकी-केंद्रित कंपनी बनाता है और मौजूदा मेडिकल डिवाइस में नई नवाचारों को शीघ्रता से एकीकृत करने के संभावित उम्मीदवार बनाता है। कुल मिलाकर, Philips के उपकरण सीधे 1.8+ बिलियन लोगों को प्रभावित कर रहे हैं।

कंपनी एक पूरी तरह एकीकृत डिजिटल हेल्थकेयर वातावरण बनाना चाहती है, जहाँ सेंसर उपकरणों से मेल खाते हों, और फिर कई कनेक्टिविटी समाधान का उपयोग करके Philips HealthSuite क्लाउड समाधान में एकीकृत हो और गहन डेटा विश्लेषण की अनुमति दे।

स्रोत: Philips

एक MedTech उद्योग आपूर्तिकर्ता के रूप में, अक्सर अन्य ब्रांडों के लिए निर्माण करता है, Philips इस क्षेत्र में अन्य अधिक प्रमुख कंपनियों जितना दिखाई नहीं देता। हालांकि, यह उच्च-प्रदर्शन इलेक्ट्रॉनिक उपकरण और सेंसर बनाने में विशेषज्ञ है, जो अक्सर स्वास्थ्य देखभाल और पहनने योग्य उपकरणों में अपनी विशिष्टता में संभावनाओं की सीमाओं को आगे बढ़ाता है।

जैसे-जैसे पहनने योग्य उपकरण और मेडिकल इलेक्ट्रॉनिक्स स्वास्थ्य देखभाल और मेडिकल प्रोटोकॉल में अधिक एकीकृत हो रहे हैं, Philips का हेल्थकेयर सेक्शन समूह के हिस्से के रूप में संभवतः बढ़ेगा।

नवीनतम Koninklijke Philips N.V.( PHG) स्टॉक समाचार और विकास

उद्धृत अध्ययन

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultrasound-driven programmable artificial muscles. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}