बीज की फली की तरह फटने वाला कैप्सूल

नन्हे चुंबकीय माइक्रोरोबोट किसी दिन पाचन तंत्र में घूमकर दवा पहुँचा सकते हैं, किसी घाव का इलाज कर सकते हैं या तस्वीरें ले सकते हैं। लेकिन पहले उन्हें वहाँ सही-सलामत पहुँचना होगा — अम्ल, श्लेष्मा और पेट के मंथन से सुरक्षित — और फिर सही जगह पर तेज़ी से छोड़ा जाना होगा। आज के कैप्सूल या तो मोटर, स्प्रिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स से भरे होते हैं, जिससे माल के लिए कम जगह बचती है, या फिर “स्मार्ट” पदार्थों पर निर्भर होते हैं जिन्हें खुलने में मिनटों से घंटों तक लगते हैं।

हांगझोउ के झेजियांग विश्वविद्यालय के मेंगफ़ान झांग, ज़िके चेन, रुई शियाओ, गुओयोंग माओ और उनके सहकर्मियों को इसका हल एक फूलदार पौधे में मिला।

फटती फली की तरकीब

जब Impatiens balsamina (गुलमेंहदी) की फली पक जाती है, तो हल्का-सा स्पर्श उसे फाड़ देता है: उसके कपाट पल भर में अंदर की ओर मुड़ जाते हैं और बीजों को उछाल फेंकते हैं। संबंधित प्रजातियों में बीज लगभग 1 से 4 मीटर प्रति सेकंड की रफ़्तार से निकलते हैं। सिद्धांत एक अटके हुए स्प्रिंग (latched spring) का है: मुड़े हुए कपाट प्रत्यास्थ ऊर्जा जमा करते हैं, और आसपास का ऊतक कुंडी का काम करता है। कुंडी छोड़िए, और जमा ऊर्जा सारा काम कर देती है।

तीन हिस्से

कैप्सूल तीन हिस्सों से इस डिज़ाइन की नक़ल करता है:

• एक मुलायम सिलिकॉन गुंबद, जिसे जोड़ते समय अंदर से बाहर पलट दिया जाता है — यही स्प्रिंग है;
• एक 3D-प्रिंटेड प्लास्टिक आधार, 8 मिलीमीटर व्यास और 5 मिलीमीटर ऊँचाई का एक बेलन, जिसमें रोबोटों के लिए एक छोटा कक्ष है;
• जिलेटिन, कैरागीनन और आयरन ऑक्साइड नैनोकणों से बना जेल का एक छल्ला — यही कुंडी है।

प्रत्यावर्ती चुंबकीय क्षेत्र में नैनोकण जेल को गर्म करते हैं। वह नरम पड़ता है और भीतर से फट जाता है, गुंबद झटके से अपनी शक्ल में लौटता है, और कैप्सूल फटकर खुल जाता है। शुद्ध जिलेटिन 30 से 36 °C के बीच पिघल जाता, जो शरीर के तापमान के बहुत क़रीब है; कैरागीनन मिलाने से जेल 37 °C पर ठोस बना रहता है, और 51.6 °C पर तरल में बदलता है।

स्प्रिंग को सही बनाना

कठिन हिस्सा यांत्रिक था। एक पलटा हुआ गुंबद द्विस्थिर (bistable) हो सकता है — एक बार धकेलने पर पलटा ही रहे — और तब वह कभी दोबारा नहीं खुलेगा। उसे एकस्थिर (monostable) होना चाहिए, यानी हमेशा वापस उछलने वाला। लेकिन बहुत कड़ा गुंबद ट्रिगर से पहले ही जेल को फाड़ देगा। कंप्यूटर सिमुलेशनों से टीम ने नक्शा बनाया कि कौन-सी आकृतियाँ द्विस्थिर हैं और कौन-सी एकस्थिर, और पाया कि गुंबद को चिपकाने के लिए इस्तेमाल होने वाला कॉलर उसे द्विस्थिरता की ओर धकेलता है, इसलिए गुंबद को पाठ्यपुस्तक वाले खोल से ज़्यादा मोटा होना पड़ता है। उनका अंतिम गुंबद: 5 मिलीमीटर के अर्ध-विस्तार पर 2.6 मिलीमीटर ऊँचा और 1.5 मिलीमीटर मोटा। चिमटी से छोड़े जाने पर ऐसा गुंबद 1.21 मीटर प्रति सेकंड की रफ़्तार से उछलता है और 100 मिलीसेकंड के भीतर पूरी तरह अलग हो जाता है।

प्रिंटेड ट्रैक से सूअर के पेट तक

पूरे परीक्षण में, एक चुंबक बंद कैप्सूल को 3D-प्रिंटेड ट्रैक पर लगभग 70 सेकंड में उसके लक्ष्य तक सरकाता है। फिर प्रत्यावर्ती क्षेत्र जेल को लगभग 20 से 41 °C तक गर्म करता है। जेल के नरम पड़ने के 50 मिलीसेकंड से कम समय बाद कैप्सूल खुल जाता है, और रोबोट लगभग 1.0 मीटर प्रति सेकंड की रफ़्तार से बाहर फेंके जाते हैं — बीजों की सीमा का निचला सिरा। फिर एक चुंबक उन्हें चुनी हुई जगहों की ओर इकट्ठा करता है। यहाँ “रोबोट” चुंबकीय इलास्टोमर के छोटे टुकड़े हैं।

शरीर से बाहर रखे सूअर के पेट पर, ऊतक के ऊपर चलाए जाते समय कैप्सूल बंद रहा और आदेश पर खुला। मुलायम, चिपचिपे ऊतक ने ऊर्जा का एक हिस्सा सोख लिया: शुरुआत में बाहर फेंकने की रफ़्तार घटकर लगभग 0.5 मीटर प्रति सेकंड रह गई। छोड़े गए रोबोटों को फिर भी सतह पर चलाया जा सका। उलटा रखे जाने पर कैप्सूल बिना कुछ फेंके धीरे से खुलता है, और चुंबक रोबोटों को बाहर खींच लेता है — एक नरम तरीक़ा।

लेखक बताते हैं कि क्या बाक़ी है: किसी जीवित जानवर में कोई परीक्षण नहीं, पेट के अम्ल और पाचक द्रवों में जेल का व्यवहार अज्ञात, और एक ज़्यादा मज़बूत जेल की ज़रूरत, जो ऊँचे तापमान पर ही पिघले। उनमें से चार — माओ, झांग, चेन और शियाओ — ने कैप्सूल पर पेटेंट के लिए आवेदन किया है।