Khi robot “lên cơ”: Cơ bắp nhân tạo giúp máy móc biết đá và cảm nhận

Chân robot với các cơ bắp nhân tạo tích hợp đang gập tại mắt cá và đầu gối.

Trong tương lai gần, robot có thể sẽ trở nên mạnh mẽ hơn rất nhiều, không chỉ về trí tuệ mà còn cả về ... cơ bắp.

Các kỹ sư tại Đại học Northwestern đã phát triển một loại cơ bắp nhân tạo mềm, mở đường cho thế hệ robot không cần dây nối, có kích thước tương đương với con người và động vật. Những “cơ bắp” mới này hay còn gọi là cơ cấu truyền động mang đến hiệu suất và tính chất cơ học cần thiết để xây dựng hệ thống xương cơ cho robot.

Để minh họa khả năng của công nghệ mới, nhóm nghiên cứu đã tích hợp các cơ bắp nhân tạo vào một chiếc chân người máy kích thước thật, bao gồm cả “xương” nhựa cứng, “gân” đàn hồi và một cảm biến giúp robot có thể “cảm nhận” chuyển động của mình. Chiếc chân sử dụng ba nhóm cơ nhân tạo: cơ tứ đầu đùi, cơ gân kheo và cơ bắp chân, giúp co duỗi khớp gối và mắt cá chân. Những cơ bắp này đủ mềm để hấp thụ va chạm nhưng vẫn đủ mạnh để tạo ra lực đá một quả bóng chuyền khỏi bệ đỡ.

Công nghệ vật liệu lấy cảm hứng từ sinh học này hứa hẹn thay đổi cách robot di chuyển, tương tác với con người và thích nghi với thế giới xung quanh.

“Robot hiện nay thường được chế tạo từ vật liệu cứng, giúp tạo chuyển động chính xác cho các tác vụ cụ thể. Nhưng thế giới thực thì luôn thay đổi, phức tạp và đầy bất định. Chúng tôi muốn chế tạo cơ thể robot có thể linh hoạt và thích nghi, giống như sinh vật sống,” - giáo sư Ryan Truby, tác giả chính của nghiên cứu chia sẻ.

Ông Truby hiện là Giáo sư điều hành Phòng thí nghiệm Robot Matter tại Trường Kỹ thuật McCormick, Đại học Northwestern, tác giả chính của nghiên cứu. Tham gia vào nhóm nghiên cứu này còn có Tiến sĩ Taekyoung Kim, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, hiện đang là học giả sau tiến sĩ trong nhóm của Truby.

Thách thức khi tái tạo cơ bắp cho robot

Hiện nay, đa phần robot đều cứng nhắc, khó thích nghi với địa hình gồ ghề hay thực hiện các tác vụ tinh vi mà không làm hỏng vật thể hoặc tự gây tổn thương.

“Robot không có độ đàn hồi thường rất khó phản ứng mượt mà với thay đổi từ môi trường và tương tác an toàn với con người,” Kim giải thích. “Để robot tương lai di chuyển tự nhiên và an toàn hơn, chúng ta cần thiết kế chúng giống cơ thể người với khung xương cứng và các cơ bắp mềm mại”.

Gần đây, giới khoa học đã nghiên cứu các cơ cấu mềm mô phỏng tính chất cơ bắp. Tuy nhiên, các hệ thống này thường đòi hỏi thiết bị cồng kềnh và nặng nề để vận hành, lại không đủ bền hoặc không tạo ra được lực mạnh như mong muốn.

“Thật sự rất khó để tạo ra vật liệu mềm hoạt động như cơ bắp,” Truby nói. “Ngay cả khi làm được, việc truyền lực đủ mạnh, tích hợp với khung xương cứng lại là một thách thức lớn”.

Cách nhóm nghiên cứu tạo ra cơ bắp nhân tạo

Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu dựa vào một cơ cấu truyền động (actuator) trước đó từng được phát triển trong phòng thí nghiệm của Truby. Trái tim của hệ thống này là một cấu trúc hình trụ in 3D gọi là “HSA” (handed shearing auxetic) có khả năng giãn nở và mở rộng khi bị xoắn. Chuyển động xoắn này được điều khiển bởi một mô-tơ điện nhỏ tích hợp bên trong.

Tiến sĩ Kim đã phát triển phương pháp in 3D HSA bằng loại cao su giá rẻ, phổ biến trong vỏ điện thoại. Sau đó, nhóm nghiên cứu bao bọc HSA bằng một lớp cao su dạng ống xếp origami cho phép động cơ quay làm giãn hoặc co lại toàn bộ hệ cơ.

Kết quả: cơ bắp nhân tạo có thể co duỗi linh hoạt, tạo lực mạnh, thậm chí có thể tự “gồng” như cơ bắp thật khi hoạt động.

Mỗi cơ nhân tạo này nặng tương đương một quả bóng đá, kích thước hơi lớn hơn lon nước ngọt. Chúng có thể kéo giãn đến 30% chiều dài ban đầu, co lại và nâng vật nặng gấp 17 lần trọng lượng của chính nó. Đặc biệt, chúng có thể hoạt động bằng pin không cần hệ thống cấp nguồn cồng kềnh.

Chân robot biết “đá” và “cảm nhận”

Để chứng minh khả năng ứng dụng thực tế, nhóm nghiên cứu đã in 3D một chiếc chân robot kích cỡ người thật. “Xương” được làm bằng nhựa cứng, trong khi “gân” đàn hồi kết nối cơ tứ đầu và cơ gân kheo với xương ống chân, cơ bắp chân nối với phần bàn chân. Hệ thống này giúp giảm chấn động và hấp thụ va đập, tương tự hệ cơ-xương sinh học.

Ngoài ra, nhóm còn tích hợp một cảm biến linh hoạt in 3D cho phép robot “cảm nhận” cơ bắp của mình. Cảm biến này có cấu trúc như chiếc bánh sandwich, một lớp nhựa dẫn điện kẹp giữa hai lớp cách điện. Khi cơ bắp co duỗi, cảm biến thay đổi điện trở giúp robot biết được mức độ hoạt động của cơ.

Chân robot được cấp điện bằng pin, có thể gập duỗi đầu gối hàng ngàn lần chỉ trong một giờ - điều gần như không thể đạt được với các công nghệ cơ mềm hiện tại.

“Bằng cách thiết kế vật liệu mới cho robot mô phỏng hệ cơ xương sinh học, chúng ta có thể chế tạo những robot linh hoạt, bền bỉ và sẵn sàng hoạt động trong thế giới thực,” Truby chia sẻ. “Chúng tôi rất kỳ vọng cơ bắp nhân tạo này sẽ mở ra hướng phát triển mới cho các robot hình người và robot mô phỏng động vật.”

Theo IEN