1. ভূমিকা ও সারসংক্ষেপ
নমনীয়তা এবং নিরাপদ মানবিক মিথস্ক্রিয়ার বৈশিষ্ট্যযুক্ত সফট রোবোটিক্স প্রায়শই অনমনীয় ইলেকট্রনিক নিয়ন্ত্রণ ব্যবস্থার উপর নির্ভর করে, যা একটি নমনীয়তার অমিল তৈরি করে। বায়ু বা তরল চাপকে গণনামাধ্যম হিসেবে ব্যবহার করে ফ্লুইডিক লজিক একটি সম্পূর্ণ নরম বিকল্প প্রদান করে। তবে, রেপ্লিকা মোল্ডিংয়ের মতো ঐতিহ্যবাহী উৎপাদন পদ্ধতি শ্রম-নিবিড় (২৭ ঘণ্টা) এবং ত্রুটিপ্রবণ। এই গবেষণা ফিউজড ডিপোজিশন মডেলিং (এফডিএম) থ্রিডি প্রিন্টিংকে একটি দ্রুত, সাশ্রয়ী এবং স্বয়ংক্রিয় পদ্ধতি হিসেবে অনুসন্ধান করে মূল ফ্লুইডিক লজিক উপাদান—বিশেষ করে, সফট বাইস্টেবল ভালভ—তৈরির জন্য, যার লক্ষ্য সফট রোবট নিয়ন্ত্রণের জন্য ফ্লুইডিক সার্কিটরিতে প্রবেশাধিকার গণতান্ত্রিক করা।
২৭ ঘণ্টা → ৩ ঘণ্টা
উৎপাদন সময় হ্রাস
ডেস্কটপ এফডিএম
সহজলভ্য উৎপাদন প্ল্যাটফর্ম
বাইস্টেবল ভালভ
মূল লজিক/মেমরি উপাদান
2. মূল প্রযুক্তি ও পদ্ধতি
2.1 সফট বাইস্টেবল ভালভ
সফট বাইস্টেবল ভালভ হল মৌলিক গঠন উপাদান। এটি একটি সিলিন্ডার আকৃতির দেহ নিয়ে গঠিত যা একটি স্ন্যাপিং হেমিস্ফেরিক্যাল মেমব্রেন দ্বারা বিভক্ত। ভালভের দুটি স্থিতিশীল অবস্থা রয়েছে (এজন্য "বাইস্টেবল"), যা একটি সমালোচনামূলক চাপের স্পন্দন দ্বারা পরিবর্তিত হয়। এই আচরণ এটিকে একটি মেমরি উপাদান (১ বিট সংরক্ষণ) বা লজিক গেট (NOT, AND, OR) এবং শিফট রেজিস্টার ও রিং অসিলেটরের মতো জটিল সার্কিট তৈরির মূল উপাদান হিসেবে ব্যবহারের সুযোগ দেয়।
2.2 এফডিএম প্রিন্টিং প্রক্রিয়া
ভালভটি একটি স্ট্যান্ডার্ড ডেস্কটপ এফডিএম প্রিন্টারে থার্মোপ্লাস্টিক পলিইউরেথেন (টিপিইউ) ফিলামেন্ট ব্যবহার করে একটি একক, অবিভাজ্য টুকরো হিসেবে প্রিন্ট করা হয়। মূল উদ্ভাবন হল সেই প্রিন্টিং কৌশল যা পোস্ট-অ্যাসেম্বলি ছাড়াই বায়ুরোধী, কার্যকরী ফ্লুইডিক চ্যানেল ও চেম্বার তৈরি করে। এটি সিল করা অভ্যন্তরীণ আয়তন তৈরির জন্য "ইউলারিয়ান পাথ প্রিন্টিং"-এর অনুরূপ ধারণাগুলিকে কাজে লাগায়।
2.3 টিউবিংয়ের জন্য কাস্টম নজল
একটি উল্লেখযোগ্য হার্ডওয়্যার অবদান হল একটি নতুন প্রিন্টিং নজলের প্রবর্তন যা সরাসরি টিউবিং এক্সট্রুড করতে ডিজাইন করা হয়েছে। এটি সংযোগ পোর্ট ও চ্যানেলগুলির সমন্বিত প্রিন্টিংয়ের অনুমতি দেয়, যা আলাদাভাবে টিউব সংযুক্ত করার তুলনায় উৎপাদন প্রক্রিয়াকে আরও সুচারু করে এবং ইন্টারফেসের নির্ভরযোগ্যতা উন্নত করে।
3. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও কার্যকারিতা
3.1 উৎপাদন সময়ের তুলনা
প্রাথমিক পরিমাণগত ফলাফল হল উৎপাদন সময়ের ব্যাপক হ্রাস। চিত্র ১-এ চিত্রিত হিসাবে, একটি সফট বাইস্টেবল ভালভের উৎপাদন সময় প্রচলিত রেপ্লিকা মোল্ডিং ব্যবহার করে প্রায় ২৭ ঘণ্টা থেকে বর্ণিত এফডিএম প্রক্রিয়া ব্যবহার করে মাত্র ৩ ঘণ্টায় নেমে এসেছে। এটি ৮৯% হ্রাসের প্রতিনিধিত্ব করে, যা উৎপাদনকে বহু-দিনের, দক্ষতা-নির্ভর প্রক্রিয়া থেকে এক দিনের কম সময়ের, স্বয়ংক্রিয় প্রক্রিয়ায় রূপান্তরিত করে।
3.2 ভালভের কার্যকারিতা ও পরীক্ষা
চিত্র ২ ভালভের নকশা ও কার্যক্রমের বিস্তারিত বর্ণনা দেয়। CAD অঙ্কন (চিত্র ২B) স্থিতিশীলতাকে প্রভাবিত করে এমন মূল পরামিতিগুলি (যেমন, মেমব্রেনের পুরুত্ব, চেম্বারের ব্যাস) দেখায়। গবেষকরা সফলভাবে প্রিন্টিং-পরবর্তী ভালভের বাইস্টেবল স্ন্যাপিং আচরণ প্রদর্শন করেছেন। থ্রিডি প্রিন্ট করা ভালভগুলি উদ্দেশ্য অনুযায়ী কাজ করেছে, প্রয়োগকৃত চাপের সাথে অবস্থা পরিবর্তন করেছে এবং ফ্লুইডিক রিলে হিসেবে কাজ করেছে, যা পদ্ধতিটির প্রিন্টযোগ্যতা ও কার্যকারিতাকে বৈধতা দেয়।
4. প্রযুক্তিগত বিশ্লেষণ ও কাঠামো
4.1 বিশ্লেষণাত্মক অন্তর্দৃষ্টি ও সমালোচনা
মূল অন্তর্দৃষ্টি:
এই গবেষণাপত্রটি একটি নতুন ভালভ নকশা সম্পর্কে নয়; এটি একটি উৎপাদন কৌশল যা গভীর গণতান্ত্রিক প্রভাব বহন করে। প্রকৃত যুগান্তকারী বিষয় হল এটি প্রমাণ করা যে জটিল, বায়ুরোধী, চাপ-চালিত সফট মেকানিজমগুলি একটি $৩০০ মূল্যের প্রিন্টার ব্যবহার করে একটি ডিজিটাল ফাইল থেকে নির্ভরযোগ্যভাবে "কম্পাইল" করা যেতে পারে, যা সফট রোবোটিক্সকে জর্জরিত করা কারুশিল্প-নিবিড় বাধাকে অতিক্রম করে।
যুক্তিপূর্ণ প্রবাহ:
যুক্তিটি আকর্ষণীয়: ১) সফট রোবটগুলির সম্পূর্ণ নরম নিয়ন্ত্রণ (ফ্লুইডিক্স) প্রয়োজন। ২) ফ্লুইডিক লজিক বিদ্যমান কিন্তু তৈরি করা কঠিন। ৩) থ্রিডি প্রিন্টিং স্বয়ংক্রিয়তার প্রতিশ্রুতি দেয় কিন্তু প্রায়শই অদ্ভুত, ব্যয়বহুল সেটআপের প্রয়োজন হয়। ৪) এখানে দেখানো হয়েছে কীভাবে থ্রিডি প্রিন্টিং প্রযুক্তির সর্বনিম্ন সাধারণ হর (এফডিএম/টিপিইউ) দিয়ে এটি করা যায়, টিউবিং ইন্টারফেস সমস্যা সমাধানের জন্য একটি কাস্টম নজলসহ—সমন্বিত উৎপাদনে ক্লাসিক "লাস্ট-মাইল" সমস্যা।
শক্তি ও ত্রুটি:
শক্তি: ৮৯% সময় হ্রাস একটি অত্যন্ত কার্যকর মেট্রিক। এটি ক্ষেত্রের ফোকাস "আমরা কি একটি তৈরি করতে পারি?" থেকে "আমরা কতগুলি সার্কিট পুনরাবৃত্তি করতে পারি?"-তে স্থানান্তরিত করে। এটি দ্রুত প্রোটোটাইপিংয়ের মূলনীতির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ যা ডেস্কটপ থ্রিডি প্রিন্টিংকেই জন্ম দিয়েছে। সমালোচনামূলক ত্রুটি: গবেষণাপত্রটি দীর্ঘমেয়াদী কার্যকারিতা সম্পর্কে লক্ষণীয়ভাবে নীরব। চক্রীয় চাপের অধীনে টিপিইউ ক্রিপ ও ক্লান্তির প্রবণ। একটি মোল্ড করা সিলিকন ভালভের তুলনায় এই প্রিন্ট করা ভালভটি কতগুলি অ্যাকচুয়েশন চক্র স্থায়ী হয়? এই স্থায়িত্বের প্রশ্নটি বাস্তব-বিশ্বে মোতায়েনের জন্য ঘরের মধ্যেই উপস্থিত বিশাল সমস্যা।
কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি:
গবেষকদের জন্য: ডিফল্টরূপে মোল্ডিং বন্ধ করুন। ফ্লুইডিক লজিক প্রোটোটাইপিংয়ের জন্য এই এফডিএম পদ্ধতিটি এখন বেসলাইন হওয়া উচিত। শিল্পের জন্য: এটি একটি সেতু প্রযুক্তি। স্থায়িত্বের ব্যবধান কমাতে আরও ইলাস্টোমেরিক, ক্লান্তি-প্রতিরোধী এফডিএম ফিলামেন্ট (যেমন, পিইবিএ-ভিত্তিক ফিলামেন্টের অগ্রগতি) বিকাশে বিনিয়োগ করুন। বাণিজ্যিকীকরণের পথ নকশার মতোই উপাদান বিজ্ঞানের মধ্যে নিহিত।
4.2 গাণিতিক মডেলিং
হেমিস্ফেরিক্যাল মেমব্রেনের স্ন্যাপিং আচরণ ননলিনিয়ার ইলাস্টিসিটি ও শেল বাকলিং তত্ত্ব দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়। সমালোচনামূলক সুইচিং চাপ ($P_{crit}$)-এর জন্য একটি সরলীকৃত মডেল এটিকে উপাদান ও জ্যামিতিক বৈশিষ্ট্যের সাথে সম্পর্কিত করতে পারে:
$P_{crit} \propto \frac{E \cdot t^3}{R^3 \sqrt{1 - \nu^2}}$
যেখানে $E$ হল টিপিইউ-এর ইয়ং-এর মডুলাস, $t$ হল মেমব্রেনের পুরুত্ব, $R$ হল বক্রতার ব্যাসার্ধ, এবং $\nu$ হল পয়সনের অনুপাত। এটি হাইলাইট করে যে প্রিন্ট প্যারামিটার (স্তর উচ্চতা, ইনফিল) যা স্থানীয় পুরুত্ব $t$ এবং কার্যকরী মডুলাস $E$ কে প্রভাবিত করে তা সামঞ্জস্যপূর্ণ ভালভ কার্যকারিতার জন্য গুরুত্বপূর্ণ, যা অ্যানিসোট্রপিক এফডিএম অংশগুলির জন্য একটি চ্যালেঞ্জ।
4.3 বিশ্লেষণ কাঠামোর উদাহরণ
কেস: একটি প্রিন্ট করা NOT গেট (ইনভার্টার) মূল্যায়ন
একটি ফ্লুইডিক NOT গেট একটি বাইস্টেবল ভালভ ব্যবহার করে তৈরি করা যেতে পারে। একটি সিস্টেমের মধ্যে এর কার্যকারিতা বিশ্লেষণ করতে:
- প্যারামিটার নিষ্কাশন: প্রিন্ট করা ভালভ থেকে, একটি চাপ সেন্সর ব্যবহার করে প্রকৃত $P_{crit}^{ON\to OFF}$ এবং $P_{crit}^{OFF\to ON}$ পরিমাপ করুন। প্রিন্টিং ত্রুটির কারণে এগুলি ভিন্ন হবে।
- সিগন্যাল প্রোপাগেশন মডেল: গেটটিকে একটি ফাংশন হিসেবে মডেল করুন: $Output_{state}(t+\Delta t) = f(Input_{pressure}(t), Current_{state}(t), P_{crit})$। বিলম্ব $\Delta t$ এ ফ্লুইডিক ট্রান্সমিশন সময় এবং ভালভের যান্ত্রিক প্রতিক্রিয়া সময় অন্তর্ভুক্ত।
- নয়েজ মার্জিন বিশ্লেষণ: একটি চাপ "নয়েজ মার্জিন" সংজ্ঞায়িত করুন—ইনপুট চাপের সেই পরিসর যা $P_{crit}$-এর নিচে থাকে এবং মিথ্যা সুইচিং নিশ্চিত করে না। উচ্চতর প্যারামেট্রিক ভিন্নতার কারণে এফডিএম ভালভে মোল্ড করা ভালভের তুলনায় এই মার্জিন সম্ভবত ছোট।
- ক্যাসকেড বিশ্লেষণ: একাধিক এমন গেট সংযোগ সিমুলেট করুন। পৃথক $P_{crit}$-এর পরিবর্তনশীলতা সিস্টেম-স্তরের ব্যর্থতার প্রাথমিক কারণ হবে, যা প্রিন্টিং প্রক্রিয়ার জন্য গুণমান নিয়ন্ত্রণ সহনশীলতা নির্দেশ করবে।
5. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও দিকনির্দেশনা
সহজলভ্য ফ্লুইডিক সার্কিট প্রিন্টিংয়ের প্রভাব ব্যাপক:
- এমবেডেড, ডিসপোজেবল নিয়ন্ত্রণ: একটি প্রিন্ট জবেই এমবেডেড নিয়ন্ত্রণ সার্কিটরি সহ সম্পূর্ণ সফট রোবট প্রিন্ট করা। কল্পনা করুন একটি অনুসন্ধান ও উদ্ধার রোবট যা এতই সস্তা যে ডিসপোজেবল হতে পারে।
- বায়োমেডিক্যাল ডিভাইস: পরিধানযোগ্য পুনর্বাসন ডিভাইস বা ওষুধ সরবরাহ পাম্পের জন্য কাস্টম ফ্লুইডিক কন্ট্রোলার অন-ডিমান্ড প্রিন্টিং, নির্দিষ্ট টিপিইউ-এর বায়োকম্প্যাটিবিলিটির সুবিধা নিয়ে।
- শিক্ষামূলক কিট: ফ্লুইডিক কম্পিউটিং ও সফট রোবোটিক্স নীতিমালা শেখানোর জন্য হার্ডওয়্যারের খরচ ও জটিলতা ব্যাপকভাবে হ্রাস করা, যেমন MIT-এর "ফ্লুইড পাওয়ার" কিটের প্রকল্পগুলিতে কল্পনা করা হয়েছে কিন্তু খরচের একটি ভগ্নাংশে।
- ভবিষ্যত গবেষণার দিকনির্দেশনা: ১) মাল্টি-ম্যাটেরিয়াল এফডিএম: শক্ত ক্যাপ ও নরম মেমব্রেন সহ ভালভ প্রিন্টিং। ২) ক্লোজড-লুপ কন্ট্রোল: ফিডব্যাকের জন্য প্রিন্ট করা চাপ সেন্সর একীভূত করা। ৩) অ্যালগরিদমিক ডিজাইন টুলস: সফটওয়্যার যা স্বয়ংক্রিয়ভাবে একটি লজিক স্কিম্যাটিকে একটি অপ্টিমাইজড, প্রিন্টযোগ্য এফডিএম মডেলে রূপান্তরিত করে, ইলেকট্রনিক ডিজাইন অটোমেশন (EDA) টুলগুলির অনুরূপ।
6. তথ্যসূত্র
- Rus, D., & Tolley, M. T. (2015). Design, fabrication and control of soft robots. Nature, 521(7553), 467-475.
- Wehner, M., et al. (2016). An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature, 536(7617), 451-455.
- Rich, S. I., Wood, R. J., & Majidi, C. (2018). Untethered soft robotics. Nature Electronics, 1(2), 102-112.
- Mosadegh, B., et al. (2014). Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly. Advanced Functional Materials, 24(15), 2163-2170.
- Bishop-Moser, J., & Kota, S. (2015). Design and modeling of generalized fiber-reinforced pneumatic soft actuators. IEEE Transactions on Robotics, 31(3), 536-545.
- Rothemund, P., et al. (2018). A soft, bistable valve for autonomous control of soft actuators. Science Robotics, 3(16), eaar7986.
- Nemitz, M. P., et al. (2020). Using bistable valves to enable programmable, pneumatic soft robots. IEEE Robotics and Automation Letters, 5(2), 2224-2231.
- Preston, D. J., et al. (2019). Digital logic for soft devices. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(16), 7750-7759.
- Yap, H. K., et al. (2016). A fully fabric-based bidirectional soft robotic glove for assistance and rehabilitation. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA).
- Ilievski, F., et al. (2011). Soft robotics for chemists. Angewandte Chemie International Edition, 50(8), 1890-1895.
- Zhu, M., et al. (2020). Encoding and programming of soft matter for computation. Advanced Materials, 32(35), 2003392.
- MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). (2023). Fluidic Computation. Retrieved from MIT CSAIL website.
- Nature Portfolio: Soft Robotics. (2023). Materials and Manufacturing for Soft Robotics. Retrieved from Nature.com.