हाल ही में हुए एक अध्ययन के अनुसारवैज्ञानिक रिपोर्ट, ट्यूरिंग पैटर्न का उपयोग फैब्रिक-आधारित सॉफ्ट न्यूमेटिक एक्ट्यूएटर्स (एफएसपीए) के डिजाइन और उत्पादन के लिए एक नई विधि विकसित करने के लिए किया जा सकता है।

फैब्रिक-आधारित सॉफ्ट न्यूमेटिक एक्चुएटर्स (एफएसपीए) लचीले, नरम उपकरण हैं जो उन पर दबाव पड़ने पर विकृत या हिल सकते हैं।वे फुलाने या हवा निकालने का कार्य करते हैं, जिससे कपड़ा मुड़ता, खिंचता या मुड़ता है।

सॉफ्ट रोबोटिक्स अक्सर अपने महत्वपूर्ण लचीलेपन और अनुकूलनशीलता के कारण एफएसपीए पर निर्भर होते हैं।पारंपरिक कठोर रोबोटिक भागों के विपरीत, एफएसपीए मनुष्यों और नाजुक वस्तुओं के साथ सुरक्षित रूप से बातचीत कर सकते हैं।

अपनी नरम और हल्की प्रकृति के कारण, एफएसपीए पहनने योग्य उपकरणों, अनुकूली आश्रयों, रोबोटिक ग्रिपर्स और सहायक उपकरणों जैसे अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक उपयुक्त हैं।उनका मूल्य उनकी कम लागत, सुरक्षा और लचीलेपन में निहित है।

हालाँकि, एफएसपीए को डिजाइन करना और बनाना चुनौतीपूर्ण है।अनुसंधान टीम द्वारा प्रक्रिया के स्वचालन के माध्यम से चुनौती का समाधान किया गया।

टीम में जापान में टोयोटा सेंट्रल आर एंड डी लैब्स, इंक. से डॉ. मासातो तनाका और डॉ. त्सुयोशी नोमुरा और अमेरिका में टोयोटा मोटर इंजीनियरिंग एंड मैन्युफैक्चरिंग नॉर्थ अमेरिका, इंक. से डॉ. युयांग सॉन्ग शामिल थे।

Phys.org ने उन शोधकर्ताओं से बात की जिन्होंने इस शोध को आगे बढ़ाने के लिए अपनी प्रेरणा साझा की।

डॉ. तनाका ने कहा, "इस शोध के पीछे की प्रेरणा सॉफ्ट रोबोटिक्स समुदाय में वायवीय एक्चुएटर्स की मान्यता प्राप्त आवश्यकता से उपजी है जो विशेष सामग्रियों या प्रौद्योगिकियों पर भरोसा किए बिना सरल तंत्र का उपयोग करके नियंत्रित गतिविधियां कर सकते हैं।"

ट्यूरिंग पैटर्न

"हमारा लक्ष्य सरल, कम लागत वाले एफएसपीए विकसित करना था जो आकार-रूपण क्षमताओं को प्राप्त करते हैं। हमने विशेष रूप से एलन ट्यूरिंग के मॉर्फोजेनेसिस सिद्धांत को शामिल करने पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे ट्यूरिंग पैटर्न के रूप में जाना जाता है।डिज़ाइनइन सतह बनावटों की प्रक्रिया," डॉ. नोमुरा ने कहा।

एलन ट्यूरिंग ने 1952 में मॉर्फोजेनेसिस के अपने सिद्धांत को सामने रखा, जिसमें बताया गया कि प्रकृति में पैटर्न (धारियां, सर्पिल, आदि) एक समान रूप से वितरित राज्य से कैसे उत्पन्न हो सकते हैं।

डॉ. सॉन्ग ने कहा, "एलन ट्यूरिंग के काम से प्रेरित होकर जहां ट्यूरिंग पैटर्न को आइसोट्रोपिक प्रतिक्रिया-प्रसार समीकरणों से प्राप्त किया जा सकता है, हमने एफएसपीए की सतह झिल्ली को डिजाइन करने के लिए एक ग्रेडिएंट-आधारित अभिविन्यास अनुकूलन विधि को नियोजित किया है।"

ट्यूरिंग पैटर्न उन प्रणालियों से उत्पन्न होते हैं जिनमें प्रतिक्रिया और प्रसार घटक होते हैं।मुख्य विचार यह है कि हमारे पास दो परस्पर क्रिया करने वाले पदार्थ हैं, जिनमें से एक दोनों के प्रचार को बढ़ावा देता है, और दूसरा पहले को दबाता या रोकता है।

इस फीडबैक लूप का परिणाम ज़ेबरा और बाघों पर देखी जाने वाली धारियों की तरह स्थिर, दोहराए जाने वाले पैटर्न या ट्यूरिंग पैटर्न का निर्माण होता है।

परीक्षण त्रुटि विधि

एफएसपीए को डिजाइन करने में सबसे बड़ी चुनौती सही सामग्री खोजने के लिए परीक्षण और त्रुटि की आवश्यकता है।

डॉ. तनाका ने बताया, "पारंपरिक वायवीय संरचनाएं आम तौर पर आकार में बदलाव लाने के लिए विशिष्ट ज्यामितीय विशेषताओं जैसे सिलाई लाइनों के साथ आइसोट्रोपिक सामग्रियों का उपयोग करती हैं।"

नरम आइसोट्रोपिक सामग्री, जो अपने समान गुणों के लिए जानी जाती है, आमतौर पर पारंपरिक एफएसपीए में उपयोग की जाती है।यह गारंटी देता है कि दबाव लागू होने पर सामग्री समान रूप से फूलती या झुकती है।

हालाँकि, नियंत्रित और पूर्वानुमानित तरीके से विकृत होने वाली सामग्री को डिज़ाइन और निर्माण करने के लिए परीक्षण और त्रुटि की आवश्यकता होती है, और इसमें समय लग सकता है।अनुसंधान टीम का उद्देश्य प्रक्रिया स्वचालन और अनुकूलन के माध्यम से इन सीमाओं को दरकिनार करना था, जिसके परिणामस्वरूप सॉफ्ट रोबोटिक अनुप्रयोगों में अधिक उन्नत और नियंत्रित गतिविधियां हुईं।

"हम इन संरचनाओं की सतह झिल्ली को डिजाइन करने के लिए एक ग्रेडिएंट-आधारित अभिविन्यास अनुकूलन विधि का उपयोग करते हैं। यह विधि झिल्ली पर अनिसोट्रोपिक सामग्रियों के उपयोग को मानती है, जहां अभिविन्यास स्वतंत्र रूप से भिन्न हो सकता है, जिससे ऐसी संरचनाओं का निर्माण एक महत्वपूर्ण चुनौती बन जाती है," डॉ. ने कहा। गाना।

डॉ. नोमुरा ने कहा, "हमारा शोध सामग्री अभिविन्यास-आधारित अनुकूलन डिजाइन और 3डी प्रिंटिंग के बीच अंतर को पाटने के लिए ट्यूरिंग पैटर्न का उपयोग करके इस चुनौती का समाधान करता है।"

प्रक्रिया को स्वचालित करना

एफएसपीए में वह सामग्री शामिल होती है, जो एक्चुएटर और एक्चुएटर के निर्माण के लिए उपयोग किया जाने वाला कपड़ा है, जो दबाव के जवाब में गति करता है।

उनकी पद्धति का पहला चरण सामग्री के अभिविन्यास को अनुकूलित करना था - अर्थात, लचीले कपड़े के तंतुओं को एक्चुएटर की सतह पर कैसे व्यवस्थित किया जाता है।

इसके लिए उन्होंने अरैखिक परिमित तत्व विधि का प्रयोग किया।अनुकूलन के बाद, ओरिएंटेशन लेआउट को सामग्री पर विशेष पैटर्न में परिवर्तित कर दिया गया।

ये विशिष्ट पैटर्न शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किए गए अनिसोट्रोपिक प्रतिक्रिया-प्रसार प्रणालियों के गणितीय मॉडल से उत्पन्न हुए थे।यह पैटर्न पूरी सतह को भरता है और यह सुनिश्चित करता है कि सामग्री वांछित तरीके से विकृत हो।

डॉ. तनाका ने बताया, "इन समीकरणों को हल करके और अनुकूलित सामग्री अनिसोट्रॉपी के वितरण के बारे में जानकारी को शामिल करके, हमने मूल सामग्री अनिसोट्रॉपी के अनुरूप अनिसोट्रोपिक ट्यूरिंग पैटर्न बनावट उत्पन्न की।"

एफएसपीए के निर्माण के लिए, शोधकर्ताओं ने दो तरीकों का पता लगाया: हीट बॉन्डिंग और कढ़ाई।

हीट बॉन्डिंग में, डायनेमा जैसे कठोर कपड़े को आवश्यक ट्यूरिंग पैटर्न में लेजर-कट किया जाता है और फिर हीट प्रेस का उपयोग करके टीपीयू फिल्म जैसे नरम कपड़े से चिपका दिया जाता है।इसके विपरीत, कढ़ाई तकनीक ट्यूरिंग पैटर्न को कड़े धागे के साथ नरम कपड़े में एम्बेड करती है, जिसके परिणामस्वरूप विभिन्न कठोरता के क्षेत्र होते हैं जो नियंत्रित आंदोलन की अनुमति देते हैं।

डॉ. सोंग ने बताया, "ये निर्माण विधियां इन उन्नत एक्चुएटर्स के लिए स्केलेबल और लागत प्रभावी उत्पादन संभावनाएं प्रदान करती हैं।"

क्लासिक्स के साथ तुलना

अनुसंधान टीम ने उनके डिज़ाइनों की तुलना शास्त्रीय सरल डिज़ाइनों से की, उनके ट्यूरिंग पैटर्न डिज़ाइन तुलनीय और बेहतर प्रदर्शन दिखा रहे हैं।

सी-आकार के डिज़ाइनों के लिए, ट्यूरिंग पैटर्न शास्त्रीय डिज़ाइनों की तुलना में अधिक प्रभावी साबित हुआ, जिससे एक्चुएटर किनारों के बीच की दूरी लगभग 10% कम हो गई।

घुमाव वाले आंदोलनों के लिए, ट्यूरिंग पैटर्न डिज़ाइन शास्त्रीय डिज़ाइन के समान प्रदर्शन करते हैं।हालाँकि, S-आकार का झुकना पारंपरिक रूप से प्राप्त करना कठिन है।

डॉ. नोमुरा ने कहा, "हमारी पद्धति हमारे अनुकूलन दृष्टिकोण का उपयोग करके झिल्ली पर मुद्रित बनावट पैटर्न को डिजाइन करके एक सरल वायवीय इनपुट के साथ किसी भी गति को प्राप्त कर सकती है।"

अनुसंधान टीम के अनुसार, बेहतर गतिशीलता के साथ एक्चुएटर्स विकसित करने के लिए, भविष्य के अनुसंधान में ट्यूरिंग पैटर्न डिज़ाइन को अत्याधुनिक सामग्रियों जैसे आकार मेमोरी या इलेक्ट्रोएक्टिव पॉलिमर के साथ एकीकृत करने पर विचार किया जा सकता है।

शोधकर्ता बड़े पैमाने पर उत्पादन और बड़े एक्चुएटर्स को समायोजित करने के लिए निर्माण तकनीकों की स्केलिंग की खोज करने की भी उम्मीद करते हैं, संभवतः दक्षता और सटीकता दोनों को बढ़ाने के लिए लचीली सामग्री के साथ 3 डी प्रिंटिंग या स्वचालित बुनाई जैसे तरीकों का उपयोग करते हैं।

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