Đột phá từ Đại học Waterloo: Vật liệu mô phỏng cơ bắp giúp robot di chuyển tự nhiên hơn

Robot mềm có ưu điểm là mềm dẻo và linh hoạt, giúp chúng an toàn khi tương tác với con người. Tuy nhiên, một thách thức lớn là các vật liệu hiện tại dùng để chế tạo các bộ phận chuyển động của chúng không đủ mạnh để hoạt động hiệu quả.

Nhóm nghiên cứu do Waterloo dẫn đầu đã tìm ra một giải pháp đột phá: họ tăng cường đáng kể độ bền của các vật liệu thông minh, giống như cao su, bằng cách trộn tinh thể lỏng (LC) vào. Tinh thể lỏng là vật liệu thường thấy trong màn hình của các thiết bị điện tử và cảm biến. Vật liệu nền tảng được sử dụng có tên là chất đàn hồi tinh thể lỏng (LCE).

Tiến sĩ Hamed Shahsavan, giáo sư kỹ thuật hóa học tại Waterloo và là người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, giải thích: "Thứ mà chúng tôi gọi là cơ bắp nhân tạo là yếu tố then chốt để khai phá tiềm năng thực sự của robot mềm. Chúng cho phép robot di chuyển linh hoạt, an toàn và chính xác. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng như robot y tế siêu nhỏ".

Hình ảnh nhìn qua kính hiển vi của một tinh thể lỏng được sử dụng để làm cho vật liệu giống cao su trở nên cứng hơn và mạnh hơn, dùng cho cơ bắp nhân tạo trong robot mềm. (Ảnh: Đại học Waterloo)

Về bản chất, LCE là một loại cao su có khả năng thay đổi hình dạng đáng kể khi bị nung nóng, và quá trình này có thể đảo ngược cũng như lập trình được. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ cần trộn một lượng nhỏ tinh thể lỏng (LC) vào LCE, vật liệu này sẽ trở nên cứng hơn và mạnh hơn tới chín lần.

"Để dễ hình dung, các sợi làm từ vật liệu LCE mới này, khi được nung nóng, có thể nâng vật nặng gấp 2.000 lần trọng lượng của chính nó," Tiến sĩ Shahsavan, người đồng thời là giám đốc Phòng thí nghiệm Vật liệu Thông minh cho Công nghệ Robot Tiên tiến (SMART) tại Waterloo, cho biết.

Ông nói thêm, vật liệu LCE này tạo ra công suất gần 24 J/kg, cao gấp ba lần so với công suất trung bình do cơ bắp của động vật có vú tạo ra.

Vậy điều gì đã xảy ra? Phân tích bằng tia X cho thấy các tinh thể lỏng (LC) phân tán bên trong LCE và tạo thành các "túi" nhỏ, giống như những mẩu sô cô la trong bột bánh quy. Điều đáng ngạc nhiên là, mặc dù vẫn ở dạng lỏng, các túi LC này lại hoạt động như chất rắn, giữ nguyên hình dạng và khiến vật liệu LCE xung quanh cảm thấy cứng hơn khi bị kéo hoặc căng ra.

Các nhà nghiên cứu kỳ vọng vật liệu LCE với đặc tính cơ học vượt trội này sẽ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực robot mềm. Chúng sẽ cho phép robot thực hiện phạm vi chuyển động cực rộng và các cử động mạnh mẽ, mở ra khả năng ứng dụng trong mọi thứ, từ vận chuyển thuốc bên trong cơ thể người đến làm việc cộng tác với con người trong các nhà máy sản xuất.

Tiến sĩ Shahsavan kết luận: "Những vật liệu có khả năng như vậy rất được mong đợi trong ngành robot. Chúng có thể thay thế các bộ truyền động và động cơ điện kiểu cũ, vốn cồng kềnh và nặng nề, bằng các cơ bắp nhân tạo nhẹ, mềm mà không làm giảm hiệu suất. Đây là chiến lược đơn giản nhất nhưng hiệu quả nhất để làm cứng LCE mà vẫn duy trì được khả năng lập trình của chúng".

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào việc sử dụng vật liệu mới này làm mực in 3D để có thể tạo ra cơ bắp nhân tạo ở quy mô lớn.

Công trình nghiên cứu này gần đây đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Advanced Materials.

Theo Robotics & Automation News