Công nghệ mô phỏng cơ bắp giúp robot siêu nhỏ vượt địa hình dễ dàng

Các nhà nghiên cứu đã phát triển các bộ truyền động nhỏ lấy cảm hứng từ cơ bắp, giúp robot mềm cỡ côn trùng di chuyển tự động.

Những robot tự hành cỡ nhỏ, có khả năng len lỏi vào không gian chật hẹp, hứa hẹn sẽ hỗ trợ các nhiệm vụ tìm kiếm - cứu hộ trong tương lai và kiểm tra những chi tiết hạ tầng mà con người hoặc robot lớn khó tiếp cận. Tuy nhiên, các động cơ cứng truyền thống mà nhiều robot hiện nay sử dụng lại khó thu nhỏ đến mức này, bởi khi thu nhỏ, chúng dễ hỏng hoặc không thể vượt qua lực ma sát.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống đàn hồi - điện từ lấy cảm hứng từ cơ bắp, cho phép chế tạo robot “mềm” cỡ côn trùng bằng vật liệu linh hoạt. “Chúng tôi nhận ra rằng các hệ thống robot mềm hiện tại ở kích thước này vẫn thiếu cơ chế truyền động vừa hiệu quả vừa tự chủ,” giáo sư cơ khí Hanqing Jiang, Đại học Tây Hồ (Hangzhou, Trung Quốc) cho biết. “Chúng thường đòi hỏi những tác nhân kích thích khắc nghiệt như điện áp cao, từ trường mạnh hoặc ánh sáng cường độ lớn - khiến khó áp dụng trong thực tế.”

Bộ truyền động mô phỏng cơ bắp

Cơ bắp hoạt động giống như một bộ truyền động: các bộ phận cơ thể di chuyển nhờ sự co và giãn của sợi cơ. Khi kết nối với hệ thần kinh, cơ thể có thể thực hiện nhiều chuyển động khác nhau, tạo ra lực lớn hơn nhiều so với khối lượng cơ thể.

Bộ truyền động mới được làm từ polyme silicon mềm polydimethylsiloxane, một nam châm neodymium và cuộn dây điện quấn xen kẽ các hạt sắt từ mềm. Các nhà nghiên cứu chế tạo chúng bằng kỹ thuật đúc 2D, có thể tạo ra ở quy mô milimet, centimet, thậm chí đề-xi-mét, và dễ mở rộng cho các thiết bị mềm lớn hơn. “Chúng tôi chuyển hướng từ việc chỉ tập trung vào vật liệu sang thiết kế cấu trúc kết hợp lực từ tĩnh, tạo ra một cơ chế truyền động hoàn toàn mới,” Jiang chia sẻ. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Bộ truyền động này co lại như cơ bắp nhờ cân bằng giữa lực đàn hồi và lực từ. Khi co, nó tạo ra dòng điện để sinh ra lực Lorentz giữa cuộn dây và nam châm neodymium. Lúc này, các hạt sắt phản ứng với lực tăng lên, khiến bộ truyền động biến dạng, tạo chuyển động cho robot. Vật liệu polyme mềm cho phép hệ thống vừa biến dạng vừa trở lại trạng thái ban đầu khi ngắt dòng điện.

Thử nghiệm cho thấy, hệ thống đạt lực đầu ra 210 newton/kg, điện áp hoạt động thấp hơn 4V và dùng pin tích hợp. Nó có thể co đến 60% chiều dài, đồng thời tiết kiệm năng lượng nhờ không cần cấp điện liên tục để giữ trạng thái ổn định - tương tự cách loài nhuyễn thể “khóa cơ” để giữ sức căng lâu mà ít tiêu hao năng lượng.

Robot mềm cỡ côn trùng

Dựa trên bộ truyền động này, nhóm nghiên cứu chế tạo một loạt robot mềm cỡ côn trùng, có thể tự động bò, bơi và nhảy thích nghi với nhiều môi trường.

Một mẫu đáng chú ý là robot sâu đo mềm, kích thước 16×10×10 mm, nặng chỉ 1,8g, trang bị khớp tịnh tiến, pin lithium-ion 3,7V (30 mAh) và mạch điều khiển tích hợp. Robot di chuyển bằng cách co - giãn liên tiếp như sâu bướm. Dù nhỏ bé, nó tạo ra lực 0,41N - mạnh gấp 8 đến 45 lần các robot bò mềm cùng kích cỡ hiện có.

Nhờ lực này, robot có thể vượt địa hình phức tạp như đất, đá sần, PVC, kính, gỗ và cả dốc nghiêng 5-15°, mà vẫn giữ tốc độ ổn định. Thử nghiệm thả rơi từ 30 m cho thấy robot vẫn nguyên vẹn và hoạt động bình thường.

Nhóm cũng phát triển robot 4 chân cỡ 14×20×19 mm (nặng 1,9g, lực 0,48N) di chuyển kiểu sâu đo nhờ khớp quay đàn hồi - điện từ; và robot bơi cỡ 19×19×11 mm (nặng 2,2g, lực 0,43N).

Ngoài việc thử nghiệm trên nhiều bề mặt, nhóm xây dựng các bài kiểm tra vượt chướng ngại kết hợp cảm biến. Robot sâu đo được đưa vào mê cung hẹp, gắn cảm biến độ ẩm để tìm nguồn nước. Robot bơi được thử nghiệm cả trong phòng thí nghiệm và ngoài sông, với nhiệm vụ dò hóa chất bằng cảm biến ethanol mini trong khoang hẹp.

Hướng tới bầy đàn robot thông minh

Jiang cho biết nhóm đang phát triển bầy robot giàu cảm biến có khả năng phát hiện phân tán, ra quyết định và phối hợp hành vi. “Bằng cách phối hợp nhiều robot nhỏ, chúng tôi muốn tạo ra hệ thống bao quát diện rộng, thích ứng môi trường động và phản ứng thông minh hơn với nhiệm vụ phức tạp.”

Ngoài ra, nhóm còn nghiên cứu khả năng bay và kiểu bơi mới nhờ hệ thống đàn hồi - điện từ, bao gồm robot mềm hình sứa phục vụ khám phá biển sâu và nghiên cứu đại dương.

Theo IEEE Spectrum