Vật liệu tổng hợp cho phép robot mềm phát triển như thực vật

Một nhóm các nhà khoa học và kỹ sư tại Đại học Minnesota đã phát triển một quá trình extrusion lấy cảm hứng từ thực vật, cho phép vật liệu tổng hợp phát triển, điều này có thể cho phép robot mềm phát triển như thực vật. Phương pháp này là mới và sáng tạo, và các robot kết quả có thể điều hướng qua các không gian hẹp, địa hình phức tạp và thậm chí các khu vực trong cơ thể con người.

Nghiên cứu, được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, đã được công bố trên Tạp chí Khoa học Quốc gia (PNAS).

Robot “Phát triển” khi di chuyển

Chris Ellison là tác giả chính của bài báo và là giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu của Đại học Minnesota Twin Cities.

“Đây là lần đầu tiên các khái niệm này được chứng minh một cách cơ bản,” Ellison nói. “Phát triển các phương pháp sản xuất mới là điều quan trọng cho sự cạnh tranh của đất nước chúng ta và để đưa các sản phẩm mới đến người dân. Về phía robot, robot đang được sử dụng nhiều hơn trong các môi trường nguy hiểm, xa xôi, và những khu vực này là nơi công việc này có thể có tác động.”

Robot mềm là robot được làm từ vật liệu mềm và dẻo thay vì vật liệu cứng, và các loại robot mềm phát triển mới này có thể tạo ra vật liệu mới và “phát triển” khi di chuyển. Chúng có thể được áp dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, và chúng đặc biệt hữu ích cho việc điều hướng qua các khu vực xa xôi mà con người không thể tiếp cận. Các ứng dụng thực tế có thể bao gồm việc kiểm tra hoặc lắp đặt ống dẫn ngầm, hoặc điều hướng bên trong cơ thể con người.

Các robot mềm phát triển mà chúng ta hiện có để lại một vết vật liệu rắn sau chúng, và chúng sử dụng nhiệt và/hoặc áp lực để biến vật liệu thành một cấu trúc vĩnh viễn. Các nhà nghiên cứu so sánh điều này với một máy in 3D, được cho ăn vật liệu rắn để tạo ra một sản phẩm có hình dạng. Mặc dù vậy, vật liệu mềm trở nên khó khăn khi robot phải di chuyển quanh các khúc quanh, có nghĩa là nó khó cho robot để điều hướng qua các chướng ngại vật nhất định.

Phát triển các phương pháp extrusion mới

Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã phát triển một phương pháp extrusion mới. Quá trình mới này liên quan đến việc đẩy vật liệu qua một lỗ để tạo ra một hình dạng cụ thể, và nó cho phép robot tạo ra vật liệu tổng hợp từ chất lỏng thay vì chất rắn.

Matthew Hausladen là tác giả chính của bài báo và là sinh viên tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu của Đại học Minnesota Twin Cities.

“Chúng tôi thực sự được truyền cảm hứng từ cách thực vật và nấm phát triển,” Hausladen nói. “Chúng tôi đã lấy ý tưởng rằng thực vật và nấm thêm vật liệu vào cuối cơ thể của chúng, hoặc tại các đầu rễ hoặc các chồi mới, và chúng tôi đã dịch nó sang một hệ thống kỹ thuật.”

Các nhà nghiên cứu muốn mô phỏng quá trình thực vật sử dụng nước để vận chuyển các khối xây dựng biến thành rễ rắn khi thực vật phát triển ra ngoài. Để đạt được điều này với vật liệu tổng hợp, nhóm đã dựa vào một kỹ thuật gọi là photopolymerization, sử dụng ánh sáng để biến chất lỏng thành vật liệu rắn. Robot mềm có thể sử dụng công nghệ này để dễ dàng điều hướng qua các chướng ngại vật và khúc quanh mà không cần phải kéo vật liệu rắn.

Ứng dụng thực tế

Nhóm cho biết quá trình mới này cũng có thể được áp dụng trong sản xuất, đặc biệt là các ứng dụng sử dụng nhiệt, áp lực và máy móc để tạo ra và định hình vật liệu có thể không cần thiết.

“Một phần rất quan trọng của dự án này là chúng tôi có các nhà khoa học vật liệu, kỹ sư hóa học và kỹ sư robot tham gia,” Ellison tiếp tục. “Bằng cách kết hợp tất cả các chuyên môn khác nhau của chúng tôi, chúng tôi thực sự mang lại điều gì đó độc đáo cho dự án này, và tôi tin rằng không một người nào trong số chúng tôi có thể làm điều này một mình. Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách hợp tác cho phép các nhà khoa học giải quyết các vấn đề cơ bản khó khăn đồng thời có tác động công nghệ.”

Nhóm nghiên cứu cũng bao gồm các nhà nghiên cứu tại Đại học Minnesota, bao gồm Boran Zhao (nghiên cứu sinh sau tiến sĩ) và Lorraine Francis (Giáo sư Đặc biệt của Trường Khoa học và Kỹ thuật); và các nhà nghiên cứu tại Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí của Đại học Minnesota, bao gồm Tim Kowalewski (giáo sư phụ tá) và Matthew Kubala (sinh viên tiến sĩ).