নতুন সিস্টেম দুটি প্রযুক্তিকে একত্রিত করে, আফসার ব্যাখ্যা করেন। একটি হল একটি তরল-চালিত কৃত্রিম পেশী যা ম্যাককিবেন থিন অ্যাকচুয়েটর নামে পরিচিত, এবং অন্যটি হল ইলেক্ট্রোহাইড্রোডাইনামিকস (EHD) এর উপর ভিত্তি করে একটি ক্ষুদ্রাকৃতির সলিড-স্টেট পাম্প, যা নড়াচড়া অংশ বা বাইরের তরল সরবরাহ ছাড়াই একটি সিল করা তরল চেম্বারের মধ্যে চাপ তৈরি করতে পারে।
এখন পর্যন্ত, বেশিরভাগ তরল-চালিত নরম অ্যাকচুয়েটররা “ভারী, আনাড়ি এবং প্রায়শই কোলাহলপূর্ণ” জলবাহী অবকাঠামোর উপর নির্ভর করেছে, আফসার বলেছেন, “এগুলিকে এমন সিস্টেমে একীভূত করা কঠিন করে তোলে যেখানে গতিশীলতা বা একটি কমপ্যাক্ট, হালকা ওজনের নকশা গুরুত্বপূর্ণ।” এটি বাস্তব-বিশ্বের অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে তরল অ্যাকচুয়েটরগুলির ব্যবহারিক ব্যবহারের ক্ষেত্রে যথেষ্ট বাধা তৈরি করেছে।
বাধা ভাঙ্গার চাবিকাঠি ছিল ইলেক্ট্রোহাইড্রোডাইনামিক নীতির উপর ভিত্তি করে সমন্বিত পাম্পের ব্যবহার। মিলিমিটার-স্কেল বৈদ্যুতিক পাম্পগুলি একটি ডাইইলেকট্রিক তরলে চার্জ ইনজেকশনের মাধ্যমে চাপ এবং প্রবাহ তৈরি করে, আয়ন তৈরি করে যা তরলকে তাদের সাথে টেনে নিয়ে যায়। প্রতিটির ওজন মাত্র কয়েক গ্রাম এবং টুথপিকের চেয়ে বেশি পুরু নয়, এগুলি ক্রমাগত তৈরি করা যায় এবং সহজেই সামঞ্জস্য করা যায়। “আমরা এই ফাইবার পাম্পগুলিকে ম্যাককিবেনের পাতলা অ্যাকুয়েটরগুলির সাথে একটি বদ্ধ তরল সার্কিটে একত্রিত করেছি,” আফসার বলেছেন, দুটি উপাদানের বিভিন্ন গতিশীলতার কারণে এটি কোনও সহজ কাজ ছিল না।
একটি মূল নকশা কৌশল ছিল তথাকথিত বিরোধী কনফিগারেশনে এই ফাইবারগুলিকে যুক্ত করা। Cacucholu ব্যাখ্যা করে যে এখানে “একটি পেশী সংকুচিত হয় যখন অন্য একটি পেশী লম্বা হয়,” যেমন আপনি যখন আপনার বাহু বাঁকান এবং বাইসেপস সংকুচিত হয় যখন ট্রাইসেপ প্রসারিত হয়। তাদের সিস্টেমে, একটি মিলিমিটার-স্কেল ফাইবার পাম্প দুটি একইভাবে স্কেল করা ম্যাককিবেন অ্যাকচুয়েটরের মধ্যে বসে, একটি অ্যাকচুয়েটরে তরল ইনজেকশন করে এটিকে সংকুচিত করার সময় একই সাথে অন্যটিকে শিথিল করে।
“এটি জৈবিক পেশী যেভাবে সংজ্ঞায়িত এবং সংগঠিত হয় তার খুব মনে করিয়ে দেয়,” আফসার বলেছেন। “আমরা শুধুমাত্র বায়োমিমিক্রির জন্য এই কনফিগারেশনটি বেছে নিইনি, তবে পেশী নকশার মধ্যে তরল সংরক্ষণ করার জন্য আমাদের একটি উপায় প্রয়োজন।” বায়ুমণ্ডলে খোলা একটি বাহ্যিক জলাধারের প্রয়োজনীয়তা ছিল পরীক্ষাগারের বাইরে রোবোটিক সিস্টেমে EHD পাম্পের ব্যবহারিক ব্যবহার সীমিত করার অন্যতম প্রধান কারণ। দুটি ম্যাককিবেন ফাইবারকে লাইনে সংযুক্ত করে, তাদের মধ্যে একটি ফাইবার পাম্প দিয়ে একটি ক্লোজ সার্কিট তৈরি করে, দলটি এই প্রয়োজনটিকে সম্পূর্ণরূপে দূর করে।
আরেকটি মূল অনুসন্ধান ছিল যে পেশী ফাইবারগুলিকে কেবল ভরাট করার পরিবর্তে প্রাক-সংকুচিত করতে হয়েছিল। “একটি ন্যূনতম অভ্যন্তরীণ সিস্টেমের চাপ রয়েছে যা সিস্টেমটি সহ্য করতে পারে,” আফসার বলেছেন, “যার নীচে পাম্পটি ভেঙে যেতে পারে বা সাময়িকভাবে কাজ বন্ধ করতে পারে।” এটি ক্যাভিটেশনের কারণে ঘটে, যেখানে পাম্প ইনলেটের চাপ তরলের বাষ্পের চাপের নিচে নেমে গেলে বাষ্পের বুদবুদ তৈরি হয়, যা অবশেষে অস্তরক ভাঙ্গনের দিকে পরিচালিত করে।
ক্যাভিটেশন রোধ করার জন্য, তারা শুরু থেকেই একটি “পক্ষপাত” চাপ প্রয়োগ করে যাতে ফাইবার পাম্প ইনলেটে চাপ কখনো তরলের বাষ্পের চাপের নিচে না নামে। এই পক্ষপাতি চাপের মাত্রা প্রয়োগের উপর নির্ভর করে সামঞ্জস্য করা যেতে পারে। “পেশী তৈরি করতে পারে সর্বাধিক সংকোচন অর্জনের জন্য, আমরা দেখতে পেয়েছি যে একটি নির্দিষ্ট পক্ষপাত চাপের পরিসর রয়েছে যা সর্বোত্তম,” সে বলে। “যদি আপনি একটি দ্রুত প্রতিক্রিয়ার জন্য সিস্টেমটি সেট আপ করতে চান তবে আপনি সেই পক্ষপাতের চাপ বাড়িয়ে দিতে পারেন, যদিও সর্বাধিক সংকোচনের কিছু হ্রাস সহ।”
ক্যাকুচিওলো যোগ করেছেন যে আজকের বেশিরভাগ রোবোটিক অঙ্গ এবং হাত বৈদ্যুতিক সার্ভো মোটরগুলির চারপাশে নির্মিত, যার কনফিগারেশন প্রাকৃতিক পেশীগুলির থেকে মৌলিকভাবে আলাদা। সার্ভো মোটরগুলি একটি শ্যাফ্টে ঘূর্ণমান গতি তৈরি করে যা অবশ্যই রৈখিক গতিতে রূপান্তরিত হয়, যেখানে পেশী তন্তুগুলি সংকুচিত হয় এবং রৈখিকভাবে লম্বা হয়, যেমন এই ইলেক্ট্রোফ্লুইডিক ফাইবারগুলি করে।
“বেশিরভাগ রোবোটিক অস্ত্র এবং হিউম্যানয়েড রোবটগুলি সার্ভো মোটরগুলির চারপাশে ডিজাইন করা হয়েছে যা তাদের চালিত করে,” তিনি বলেছেন। “এটি একীকরণের সীমাবদ্ধতা তৈরি করে, কারণ সার্ভো মোটরগুলি ঘনভাবে প্যাক করা কঠিন এবং তারা যে জয়েন্টগুলি চালায় তার কাছে ভরকে কেন্দ্রীভূত করার প্রবণতা থাকে৷ অন্যদিকে, ফাইবার আকারে কৃত্রিম পেশীগুলিকে একটি রোবট বা এক্সোস্কেলটনের ভিতরে শক্তভাবে প্যাক করা যায় এবং একটি জয়েন্টের কাছে ঘনীভূত হওয়ার পরিবর্তে পুরো কাঠামোতে ছড়িয়ে দেওয়া যায়।”
এই ইলেক্ট্রোফ্লুইডিক পেশীগুলি পরিধানযোগ্য অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য বিশেষভাবে উপযোগী হতে পারে, যেমন এক্সোস্কেলটন যা একজন ব্যক্তিকে ভারী ভার তুলতে সাহায্য করে বা সহায়ক ডিভাইসগুলি যা পুনরুদ্ধার বা দক্ষতা বৃদ্ধি করে। কিন্তু মৌলিক নীতিগুলি আরও বিস্তৃতভাবে প্রয়োগ করতে পারে। “আমাদের অনুসন্ধানগুলি সাধারণভাবে তরল-চালিত রোবোটিক সিস্টেমগুলিতে প্রসারিত হয়,” বলেছেন ক্যাকুচিওলো। “যেখানেই ফ্লুইড অ্যাকচুয়েটর ব্যবহার করা হয়, বা যেখানে ইঞ্জিনিয়াররা বহিরাগত পাম্পগুলিকে অভ্যন্তরীণ পাম্প দিয়ে প্রতিস্থাপন করতে চান, এই নকশা নীতিগুলি বিভিন্ন ধরণের তরল-চালিত রোবোটিক সিস্টেমে প্রয়োগ করা যেতে পারে।”
এই কাজটি “ফাইবার ফরম্যাটে নরম অ্যাকচুয়েশনে একটি বড় অগ্রগতি উপস্থাপন করে”, যা “ক্ষেত্রে কিছু দীর্ঘস্থায়ী বাধা, বিশেষ করে বহনযোগ্যতা এবং শক্তি ঘনত্ব সম্পর্কিত,” বলেছেন হার্বার্ট শিয়া, ইকোল পলিটেকনিক ফেডারেল ডি লসানের সফ্ট ট্রান্সডুসার ল্যাবরেটরির অধ্যাপক সুইজারল্যান্ডের এই গবেষণার সাথে যুক্ত ছিলেন না। “পাম্পে চলমান অংশের অভাব এই পেশীগুলিকে শান্ত করে তোলে, কৃত্রিম ডিভাইস এবং সহায়ক পোশাকের জন্য একটি বড় সুবিধা,” তিনি বলেছেন।
শিয়া যোগ করেছেন যে “এই উচ্চ-মানের এবং কঠোর কাজটি মৌলিক তরল গতিবিদ্যা এবং ব্যবহারিক রোবোটিক অ্যাপ্লিকেশনগুলির মধ্যে ব্যবধানকে সেতু করে। লেখকরা সিস্টেম স্তরে একটি সম্পূর্ণ সমাধান প্রদান করে – পৃথক উপাদানগুলির বৈশিষ্ট্য, একটি ভবিষ্যদ্বাণীমূলক শারীরিক মডেল তৈরি করা এবং বিভিন্ন মডেলের মাধ্যমে এটিকে বৈধ করা।”
আফসার এবং ক্যাকুচিওলো ছাড়াও, দলটিতে পলিটেকনিকো ডি বারির গ্যাব্রিয়েলা পুপিলো এবং জেনারো ভিতুচি এবং এমআইটি মিডিয়া ল্যাবের ওয়েডিয়ান বাবাতাইন এবং অধ্যাপক হিরোশি ইশিও অন্তর্ভুক্ত ছিল। কাজটি ইউরোপীয় গবেষণা কাউন্সিল এবং মিডিয়া ল্যাব মাল্টি-ফান্ডেড কনসোর্টিয়াম দ্বারা সমর্থিত ছিল।
