Giun, Lò Xo và Robot Mềm: Những Sinh Vật Nhỏ Inspire Những Bước Nhảy Lớn

Các nhà nghiên cứu tại Georgia Tech gần đây đã tiết lộ một thành tựu ấn tượng: một robot mềm dài 5 inch có thể tự phóng mình 10 feet vào không trung – chiều cao của một vòng bóng rổ – mà không có chân. Thiết kế này được lấy cảm hứng từ giun tròn nematode, một loại giun nhỏ mỏng hơn tóc người, có thể nhảy nhiều lần chiều dài cơ thể.

Bằng cách kẹp thân mình thành những khúc gấp紧, giun lưu trữ năng lượng đàn hồi và sau đó đột ngột giải phóng nó, ném mình lên cao hoặc ngược lại như một vận động viên thể dục dụng cụ. Các kỹ sư đã bắt chước chuyển động này. Robot “SoftJM” của họ cơ bản là một thanh silicone dẻo với một xương sống bằng sợi carbon cứng. Tùy thuộc vào cách nó uốn cong, nó có thể nhảy tiến hoặc lùi – ngay cả khi nó không có bánh xe hoặc chân.

Khi hoạt động, robot lấy cảm hứng từ nematode cuộn lên rất giống như một người đang ngồi xổm, sau đó đột ngột duỗi thẳng để nhảy. Một máy ảnh tốc độ cao cho thấy giun uốn cong đầu và gấp khúc ở giữa thân để nhảy ngược, sau đó thẳng và gấp khúc ở đuôi để nhảy tiến.

Đội Georgia Tech phát hiện ra rằng những khúc gấp chặt – thường là một vấn đề trong vòi hoặc cáp – thực sự cho phép giun và robot lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Như một nhà nghiên cứu đã lưu ý, những ống hút hoặc vòi bị gấp khúc là vô dụng, nhưng một con giun bị gấp khúc hoạt động như một lò xo đã được nạp. Trong phòng thí nghiệm, robot mềm sao chép thủ thuật này: nó “kẹp” giữa hoặc đuôi, căng lên, và sau đó giải phóng trong một vụ nổ (khoảng một phần mười của một millisecond) để bay lên không trung.

Robot Mềm Trên Đà Phát Triển

Robot mềm là một lĩnh vực còn trẻ nhưng đang phát triển nhanh, thường lấy cảm hứng từ tự nhiên. Không giống như máy móc kim loại cứng, robot mềm được làm từ vật liệu dẻo có thể nén, kéo dài và thích nghi với môi trường xung quanh. Những cột mốc đầu tiên trong lĩnh vực này bao gồm Octobot của Harvard – một robot tự động hoàn toàn được làm từ silicone và kênh chất lỏng, không có bộ phận cứng, lấy cảm hứng từ cơ bắp của bạch tuộc. Kể từ đó, các kỹ sư đã xây dựng một loạt các máy mềm: từ những con giun giống như những con sâu và những chiếc gắp giống như thạch đến những bộ đồ “exo” có thể mặc và những robot giống như dây leo.

Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Yale đã tạo ra một robot mềm lấy cảm hứng từ rùa, có chân có thể chuyển đổi giữa những chiếc bơi mềm và những “chân đất” cứng tùy thuộc vào việc nó đang bơi hoặc đi. Tại UCSB, các nhà khoa học đã tạo ra một robot giống như dây leo có thể phát triển hướng về ánh sáng bằng cách sử dụng “da” nhạy sáng – nó thực sự mở rộng bản thân qua những không gian hẹp như một thân cây. Những đổi mới này và nhiều đổi mới khác cho thấy làm thế nào các vật liệu mềm có thể tạo ra những cách di chuyển mới.

Tổng thể, những người ủng hộ cho rằng robot mềm có thể đi đến những nơi mà robot truyền thống không thể. Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ lưu ý rằng các máy mềm thích nghi “khám phá những không gian trước đây không thể tiếp cận được bởi robot truyền thống” – ngay cả trong cơ thể con người. Một số robot mềm có “da” có thể lập trình được, thay đổi độ cứng hoặc màu sắc để hòa nhập hoặc cầm nắm các vật thể. Các kỹ sư cũng đang khám phá các kỹ thuật origami/kirigami, polymer nhớ hình dạng và các thủ thuật khác để những robot này có thể tái cấu hình trên không.

Kỹ Thuật Robot Mềm Linh Hoạt

Làm cho một robot mềm di chuyển như một con vật đến với những thách thức lớn. Không có khớp cứng hoặc động cơ, các nhà thiết kế phải dựa vào các tính chất vật liệu và hình học thông minh. Ví dụ, robot nhảy của Georgia Tech phải bao gồm một xương sống bằng sợi carbon bên trong thân cao su để hành động lò xo đủ mạnh. Việc tích hợp các cảm biến và hệ thống điều khiển cũng rất khó khăn. Như các kỹ sư tại Penn State chỉ ra, các thiết bị điện tử truyền thống là cứng và sẽ làm cho robot mềm bị đóng băng.

Để làm cho robot cứu hộ nhỏ của họ “thông minh”, họ phải trải các mạch dẻo một cách cẩn thận trên thân robot để nó vẫn có thể uốn cong. Thậm chí việc tìm kiếm nguồn năng lượng cũng khó hơn: một số robot mềm sử dụng từ trường ngoài hoặc không khí nén vì việc mang một pin nặng sẽ làm cho chúng quá nặng.

Những robot mềm lấy cảm hứng từ nematode của Georgia Tech (Ảnh: Candler Hobbs)

Một chướng ngại vật khác là khai thác đúng vật lý. Đội nghiên cứu về nematode và robot đã học được rằng những khúc gấp thực sự giúp ích. Trong một ống cao su thông thường, một khúc gấp nhanh chóng dừng dòng chảy; nhưng trong một con giun mềm, nó xây dựng áp suất nội bộ từ từ, cho phép uốn cong nhiều hơn trước khi giải phóng. Bằng cách thử nghiệm với các mô phỏng và thậm chí các mô hình bóng nước, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng thân dẻo của họ có thể giữ nhiều năng lượng đàn hồi khi bị uốn cong, sau đó giải phóng nó trong một cú nhảy nhanh. Kết quả thật đáng kinh ngạc: từ trạng thái nghỉ, robot có thể nhảy cao 10 feet, lặp lại, chỉ bằng cách uốn cong xương sống của nó. Những đột phá này – tìm cách lưu trữ và giải phóng năng lượng trong các vật liệu cao su – là điển hình của kỹ thuật robot mềm.

Những Con Nhảy và Trợ Thủ Trong Thế Giới Thực

Tất cả những robot mềm này tốt cho gì? Về nguyên tắc, chúng có thể xử lý những tình huống quá nguy hiểm hoặc khó xử cho máy móc truyền thống. Trong các khu vực thảm họa, ví dụ, các robot mềm có thể chui dưới đống đổ nát hoặc vào các tòa nhà sập để tìm kiếm những người sống sót. Penn State đã展示 một nguyên mẫu robot mềm được điều khiển từ xa có thể điều hướng qua các mảnh vụn chặt chẽ hoặc thậm chí di chuyển qua các kênh có kích thước như mạch máu.

Trong y học, các robot mềm vi mô có thể cung cấp thuốc trực tiếp trong cơ thể. Trong một nghiên cứu của MIT, một robot mềm mỏng như sợi chỉ được hình dung sẽ trôi qua các động mạch và làm sạch các cục máu đông, có khả năng điều trị đột quỵ mà không cần phẫu thuật mở. Các nhà khoa học tại Harvard cũng đang làm việc trên các bộ đồ “exo” mềm có thể mặc – một chiếc áo tay nhẹ có thể bơm hơi đã giúp các bệnh nhân ALS nâng một vai, ngay lập tức cải thiện phạm vi chuyển động của họ.

Cơ quan vũ trụ cũng đang để mắt đến những con nhảy mềm. Các bánh xe có thể bị kẹt trong cát hoặc đá, nhưng một robot nhảy có thể vượt qua các hố và đồi cát. NASA thậm chí đang tưởng tượng những con nhảy mới cho Mặt Trăng và các mặt trăng băng. Trong một khái niệm, một robot bóng đá có kích thước như một quả bóng đá gọi là SPARROW sẽ sử dụng các tia hơi (từ băng đã đun sôi) để nhảy hàng dặm trên Europa hoặc Enceladus. Trong trọng lực thấp của những mặt trăng này, một cú nhảy nhỏ có thể đi rất xa – các nhà khoa học lưu ý rằng một cú nhảy 1 mét của robot trên Trái Đất có thể mang nó đi 100 mét trên Enceladus. Ý tưởng là hàng chục những con nhảy này có thể di chuyển tự do trên địa hình ngoài hành tinh “với sự tự do hoàn toàn để đi lại”. Trở lại Trái Đất, những con nhảy mềm trong tương lai có thể giúp trong các nhiệm vụ tìm kiếm và cứu hộ bằng cách nhảy qua sông, bùn hoặc đất không ổn định mà các robot truyền thống sẽ bị kẹt.

Robot mềm cũng đang tìm thấy công việc trong công nghiệp và nông nghiệp. Quỹ Khoa học Quốc gia lưu ý rằng chúng có thể trở thành những trợ thủ an toàn trên sàn nhà máy hoặc trên các trang trại, vì chúng tuân thủ nếu một người ở trong đường đi. Các nhà nghiên cứu đã thậm chí xây dựng các bộ gắp mềm có thể nhẹ nhàng nhặt trái cây mỏng manh mà không làm chúng bị dập. Sự linh hoạt của các máy mềm có nghĩa là chúng có thể hoạt động ở những nơi quá nhỏ hoặc linh hoạt cho các thiết bị cứng.

Cuối cùng, các chuyên gia tin rằng robot mềm sẽ thay đổi cơ bản nhiều lĩnh vực. Từ giun đến bộ đồ “exo” đến những con nhảy trên Mặt Trăng, luồng nghiên cứu này cho thấy làm thế nào việc nghiên cứu các sinh vật nhỏ có thể tạo ra những bước nhảy lớn trong công nghệ.