Độc lạ robot: Từ "lai" sinh học đến "da" điện tử

Robot "lai" yếu tố sinh học

Theo trưởng nhóm nghiên cứu Josie Hughes, việc kết hợp các yếu tố sinh học với linh kiện tổng hợp không chỉ có tiềm năng nâng cao khả năng của robot, mà còn góp phần xây dựng các hệ thống công nghệ bền vững.

"Bộ xương ngoài kết hợp giữa phần vỏ cứng được khoáng hóa và màng khớp, tạo ra sự cân bằng giữa độ cứng và độ linh hoạt, cho phép các đốt chuyển động độc lập. Những đặc tính này giúp loài giáp xác tạo ra chuyển động nhanh và mô-men xoắn lớn trong nước và chúng cũng rất hữu ích cho robot" – ông Hughes giải thích.

"Bên cạnh đó, bằng cách tái sử dụng rác thải thực phẩm, chúng ta có thể tạo ra một quy trình thiết kế tuần hoàn bền vững, trong đó vật liệu có thể được tái chế và sử dụng cho những nhiệm vụ mới" – vị này cho biết thêm.

Nhóm của ông Hughes kết hợp độ bền và tính linh hoạt của vỏ tôm càng với khả năng điều khiển chính xác và tuổi thọ cao của các thành phần nhân tạo, tạo ra thiết bị có thể di chuyển vật nặng 500 g vào khu vực mục tiêu.

Khi được lắp thành một cặp kẹp, chiếc kẹp "hai ngón" này có thể gắp thành công nhiều vật thể với kích thước và hình dạng khác nhau, từ bút dạ quang đến cà chua. Hệ thống robot này thậm chí còn có thể bơi với vận tốc 11 cm/giây.

Hạn chế của phương pháp này nằm ở sự khác biệt tự nhiên giữa cấu trúc sinh học. Ví dụ, hình dạng độc đáo của mỗi chiếc đuôi tôm khiến chiếc kẹp "hai ngón" uốn cong hơi khác nhau ở mỗi bên.

Các nhà nghiên cứu cho rằng thách thức này cần những cơ chế tăng cường tổng hợp tiên tiến hơn, chẳng hạn như bộ điều khiển có thể điều chỉnh.

Với những cải tiến đó, nhóm nghiên cứu nhìn thấy tiềm năng cho các hệ thống tích hợp cấu trúc có nguồn gốc sinh học, ví dụ như trong cấy ghép y sinh hoặc các nền tảng giám sát hệ sinh học.

Robot với "da" điện tử cảm nhận xúc giác 

Tại Trường ĐH College London (Anh), các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại "da" điện tử mới có thể mang lại cho robot khả năng cảm nhận các xúc giác khác nhau, như chạm, ấn, thay đổi nhiệt độ - thậm chí là cảm giác bị đâm.

Lớp da này được làm từ một vật liệu dẫn điện dựa trên gelatin, có thể được đúc thành nhiều hình dạng khác nhau. Khi được trang bị một loại điện cực đặc biệt, vật liệu này có thể phát hiện tín hiệu từ hàng trăm ngàn đường dẫn kết nối, tương ứng với các cảm giác chạm và áp lực khác nhau.

Các nhà khoa học cho biết vật liệu này có thể được sử dụng trong robot hình người hoặc các bộ phận giả cho con người, nơi cảm giác xúc giác là yếu tố then chốt. Vật liệu này còn có ứng dụng rộng rãi trong ngành ô tô và cứu hộ thảm họa.

Cảm biến xúc giác được xem là cột mốc quan trọng tiếp theo của ngành robot, khi các nhà khoa học tìm cách tạo ra những cỗ máy có thể phản ứng với thế giới theo cách gần giống con người.

Da điện tử thường hoạt động bằng cách chuyển đổi thông tin vật lý - như áp lực hoặc nhiệt độ - thành tín hiệu điện. Trong hầu hết trường hợp, cần các loại cảm biến khác nhau cho từng loại cảm giác. Ví dụ, một cảm biến để phát hiện áp lực, cảm biến khác để đo nhiệt độ.

Tuy nhiên, các tín hiệu từ những cảm biến khác nhau có thể gây nhiễu lẫn nhau. Vật liệu nền - thường là silicon mềm hoặc elastomer giống cao su - lại dễ bị hư hại.

Lớp da điện tử mới nêu trên sử dụng một loại cảm biến "đa mô thức", có khả năng phát hiện nhiều loại kích thích khác nhau như chạm, nhiệt độ và tổn hại vật lý.

Cảm biến "đa mô thức" dễ chế tạo hơn, bền hơn và chi phí thấp hơn, khiến chúng phù hợp cho việc ứng dụng rộng rãi.

"Chúng tôi chưa đạt đến mức da robot có thể tốt như da người nhưng chúng tôi tin rằng nó tốt hơn bất kỳ thứ gì hiện có" - ông Thomas George Thuruthel, đồng tác giả nghiên cứu, khẳng định với tạp chí Science Robotics.

Robot mềm mô phỏng côn trùng 

Tại Mỹ, các nhà nghiên cứu của Trường ĐH Virginia đã phát triển kỹ thuật mới để chế tạo robot mềm: HydroSpread.

Kỹ thuật này được kỳ vọng tạo ra những robot tí hon, không lớn hơn một chiếc lá, lướt nhẹ trên mặt ao như loài bọ nước. Trong tương lai, chúng có thể được triển khai để giám sát ô nhiễm, thu thập mẫu nước hoặc thăm dò các khu vực ngập lụt quá nguy hiểm đối với con người.

Trước đây, việc sản xuất các màng mỏng và linh hoạt - yếu tố thiết yếu của robot mềm - đòi hỏi phải chế tạo trên bề mặt rắn như kính. Sau đó, các lớp mỏng manh này phải được bóc ra và chuyển lên nước, một quy trình khó khăn và thường gây rách, thất thoát vật liệu.

HydroSpread giải quyết vấn đề này bằng cách để chính chất lỏng đóng vai trò như "bàn làm việc". Các giọt polymer lỏng có thể tự nhiên lan ra thành những tấm màng siêu mỏng, đồng đều trên bề mặt nước.

Với một tia laser được điều chỉnh chính xác, nhóm nghiên cứu của chuyên gia Baoxing Xu có thể cắt các tấm màng này thành những hoa văn phức tạp - từ hình tròn, dải dài cho đến logo UVA - với độ chính xác đáng kinh ngạc.

Bằng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra hai nguyên mẫu giống côn trùng: HydroFlexor, di chuyển bằng cách quẫy các "vây" trên mặt nước và HydroBuckler, "bước đi" về phía trước bằng các chân uốn cong, lấy cảm hứng từ bọ nước.

Tiềm năng của kỹ thuật HydroSpread không chỉ dừng lại ở robot mềm. Việc dễ dàng tạo ra các màng mỏng phức tạp mà không làm hỏng chúng có thể mở ra khả năng mới trong việc chế tạo cảm biến y tế đeo được, thiết bị điện tử linh hoạt và hệ thống giám sát môi trường. 

Đây vốn là những công cụ cần phải mỏng, mềm và bền trong những điều kiện mà vật liệu cứng truyền thống không thể đáp ứng.