Robot học được vận hành bằng cơ bắp: Một biên giới mới trong kỹ thuật mô phỏng sinh học

Trong một phát triển đáng chú ý trong lĩnh vực robot, các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich và Viện Hệ thống Thông minh Max Planck đã tiết lộ một chân robot mới mô phỏng các cơ sinh học chặt chẽ hơn bao giờ hết. Đổi mới này đánh dấu một bước ngoặt đáng kể so với robot truyền thống, đã dựa vào các hệ thống dẫn động bằng động cơ trong gần bảy thập kỷ.

Nỗ lực hợp tác, do Robert Katzschmann và Christoph Keplinger lãnh đạo, đã dẫn đến một chi robot thể hiện khả năng đáng chú ý về hiệu suất năng lượng, khả năng thích ứng và phản ứng. Sự tiến bộ này có thể thay đổi đáng kể phong cảnh của robot, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu chuyển động cơ học giống như sinh học và linh hoạt hơn.

Tầm quan trọng của sự phát triển này vượt ra ngoài tính mới về công nghệ. Nó đại diện cho một bước quan trọng trong việc tạo ra các robot có thể điều hướng và tương tác với môi trường thực tế phức tạp một cách hiệu quả hơn. Bằng cách mô phỏng sinh học của các sinh vật sống, chân robot này mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng từ hoạt động tìm kiếm và cứu hộ đến các tương tác tinh tế hơn trong hợp tác giữa con người và robot.

Đổi mới: Các bộ truyền động Điện – Thủy lực

Ở trung tâm của chân robot cách mạng này là các bộ truyền động điện – thủy lực, được nhóm nghiên cứu gọi là HASELs. Những thành phần đổi mới này hoạt động như các cơ nhân tạo, cung cấp cho chân khả năng độc đáo của nó.

Các bộ truyền động HASEL bao gồm các túi nhựa chứa dầu, giống như những túi dùng để làm đá. Mỗi túi được phủ một lớp vật liệu dẫn điện trên cả hai mặt, hoạt động như một điện cực. Khi điện áp được áp dụng cho các điện cực này, chúng sẽ hút nhau do tĩnh điện, tương tự như khi một quả bóng dính vào tóc sau khi được chà xát. Khi điện áp tăng, các điện cực sẽ kéo gần nhau, đẩy dầu trong túi và khiến nó co lại.

Cơ chế này cho phép thực hiện các chuyển động giống như cơ: khi một bộ truyền động co lại, bộ truyền động đối diện sẽ giãn ra, mô phỏng hành động phối hợp của các cơ duỗi và cơ gập trong các hệ thống sinh học. Các nhà nghiên cứu kiểm soát những chuyển động này thông qua mã máy tính giao tiếp với các bộ khuếch đại điện áp cao, quyết định哪 bộ truyền động nên co lại hoặc giãn ra tại bất kỳ thời điểm nào.

Không giống như các hệ thống robot truyền thống dựa vào động cơ – một công nghệ 200 năm tuổi – cách tiếp cận mới này đại diện cho một sự thay đổi范式 trong truyền động robot. Các robot truyền thống thường gặp khó khăn với các vấn đề về hiệu suất năng lượng, khả năng thích ứng và nhu cầu về các hệ thống cảm biến phức tạp. Ngược lại, chân HASEL giải quyết những thách thức này theo những cách mới.

Ưu điểm: Hiệu suất Năng lượng, Khả năng Thích ứng, Cảm biến Đơn giản hóa

Chân điện – thủy lực thể hiện hiệu suất năng lượng vượt trội so với các đối tác dẫn động bằng động cơ. Khi duy trì một vị trí cong, ví dụ, chân HASEL tiêu thụ năng lượng đáng kể ít hơn. Hiệu suất này rõ ràng trong hình ảnh nhiệt, cho thấy sự phát sinh nhiệt tối thiểu trong chân điện – thủy lực so với lượng nhiệt đáng kể được tạo ra bởi các hệ thống dẫn động bằng động cơ.

Khả năng thích ứng là một ưu điểm khác của thiết kế mới này. Hệ thống cơ – xương của chân cung cấp sự đàn hồi nội tại, cho phép nó điều chỉnh linh hoạt với các địa hình khác nhau mà không cần lập trình phức tạp trước. Điều này mô phỏng sự thích ứng tự nhiên của các chân sinh học, có thể điều chỉnh bản năng với các bề mặt và tác động khác nhau.

Có lẽ ấn tượng nhất, chân HASEL có thể thực hiện các chuyển động phức tạp – bao gồm cả nhảy cao và điều chỉnh nhanh – mà không dựa vào các hệ thống cảm biến phức tạp. Các tính chất nội tại của các bộ truyền động cho phép chân phát hiện và phản ứng với các chướng ngại vật một cách tự nhiên, đơn giản hóa thiết kế tổng thể và có thể giảm các điểm thất bại trong các ứng dụng thực tế.

Ứng dụng và Tiềm năng Tương lai

Chân robot được vận hành bằng cơ bắp thể hiện khả năng vượt qua ranh giới của kỹ thuật mô phỏng sinh học. Khả năng thực hiện các cú nhảy cao và thực hiện các chuyển động nhanh cho thấy tiềm năng cho các hệ thống robot động hơn và linh hoạt hơn. Sự nhanh nhẹn này, kết hợp với khả năng của chân để phát hiện và phản ứng với chướng ngại vật mà không cần các mảng cảm biến phức tạp, mở ra những khả năng thú vị cho các ứng dụng trong tương lai.

Trong lĩnh vực robot mềm, công nghệ này có thể cải thiện cách các máy tương tác với các vật thể mỏng manh hoặc điều hướng trong các môi trường nhạy cảm. Ví dụ, Katzschmann đề xuất rằng các bộ truyền động điện – thủy lực có thể đặc biệt có lợi trong việc phát triển các tay gắp tùy chỉnh. Những tay gắp như vậy có thể điều chỉnh lực nắm và kỹ thuật dựa trên việc chúng đang xử lý một vật thể mạnh như một quả bóng hay một vật phẩm dễ vỡ như một quả trứng hoặc một quả cà chua.

Nhìn xa hơn, các nhà nghiên cứu hình dung ra các ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực robot cứu hộ. Katzschmann suy đoán rằng các phiên bản tương lai của công nghệ này có thể dẫn đến sự phát triển của các robot bốn chân hoặc humanoid có thể điều hướng các địa hình khó khăn trong các tình huống thảm họa. Tuy nhiên, ông lưu ý rằng vẫn còn rất nhiều công việc cần được thực hiện trước khi những ứng dụng như vậy trở thành hiện thực.

Thách thức và Tác động Rộng lớn hơn

Mặc dù mang tính cách mạng, nguyên mẫu hiện tại vẫn còn những hạn chế. Katzschmann giải thích: “So với các robot đi bằng động cơ điện, hệ thống của chúng tôi vẫn còn hạn chế. Chân hiện đang được gắn vào một thanh, nhảy theo hình tròn và vẫn chưa thể di chuyển tự do.” Việc vượt qua những hạn chế này để tạo ra các robot hoàn toàn di động, được vận hành bằng cơ bắp, đại diện cho rào cản chính tiếp theo cho nhóm nghiên cứu.

Tuy nhiên, tác động rộng lớn hơn của đổi mới này đối với lĩnh vực robot không thể bị đánh giá thấp. Keplinger nhấn mạnh tiềm năng chuyển đổi của các khái niệm phần cứng mới như cơ nhân tạo: “Lĩnh vực robot đang đạt được tiến bộ nhanh chóng với các điều khiển tiên tiến và học máy; ngược lại, đã có ít tiến bộ hơn với phần cứng robot, điều cũng quan trọng không kém.”

Sự phát triển này báo hiệu một sự thay đổi tiềm năng trong triết lý thiết kế robot, chuyển từ các hệ thống cứng, dẫn động bằng động cơ sang các bộ truyền động giống như cơ hơn. Sự thay đổi như vậy có thể dẫn đến các robot không chỉ tiết kiệm năng lượng và linh hoạt hơn mà còn an toàn hơn cho tương tác của con người và có khả năng mô phỏng các chuyển động sinh học.

Kết luận

Chân robot được vận hành bằng cơ bắp do các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich và Viện Hệ thống Thông minh Max Planck phát triển, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong kỹ thuật mô phỏng sinh học. Bằng cách khai thác các bộ truyền động điện – thủy lực, đổi mới này cung cấp một cái nhìn về tương lai nơi các robot di chuyển và thích ứng nhiều hơn như các sinh vật sống hơn là máy móc.

Mặc dù vẫn còn những thách thức trong việc phát triển các robot tự động hoàn toàn với công nghệ này, các ứng dụng tiềm năng là rộng lớn và thú vị. Từ các robot công nghiệp linh hoạt hơn đến các máy cứu hộ nhanh nhẹn có thể điều hướng các khu vực thảm họa, đổi mới này có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về robot. Khi nghiên cứu tiến bộ, chúng ta có thể đang chứng kiến những giai đoạn đầu của một sự thay đổi范式, làm mờ ranh giới giữa cơ học và sinh học, có khả năng cách mạng hóa cách chúng ta thiết kế và tương tác với robot trong những năm tới.