"Sợi tóc" của Nhật Bản đang gây kinh ngạc giới khoa học: Họ làm được điều khó tin thế này đây

Các nhà khoa học vừa tạo nên một bước đột phá trong lĩnh vực vật liệu thông minh khi phát triển thành công loại sợi truyền động (actuator fiber) siêu mảnh. Với kích thước chỉ bằng một sợi tóc, phát kiến này được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên mới cho các loại robot mềm an toàn hơn và những thiết bị đeo thông minh ôm sát cơ thể, tối ưu hóa khả năng tương tác giữa người và máy.

Công trình này là thành quả hợp tác giữa các nhà nghiên cứu từ Đại học Tohoku (Nhật Bản) và các chuyên gia quốc tế tại Pháp. Loại "len mềm" siêu mịn này không chỉ đơn thuần là một loại sợi dệt; chúng có khả năng tự uốn cong, co giãn và thực hiện các chuyển động ba chiều (3D) phức tạp ngay khi có kích thích từ dòng điện.

Sự giao thoa giữa kỹ thuật dệt sợi và vật liệu điện hoạt

Tiến sĩ Yuanyuan Guo, thành viên nhóm nghiên cứu, chia sẻ: “Bằng cách kết hợp kỹ thuật sản xuất sợi tiên tiến với các vật liệu điện hoạt mềm, chúng tôi đã tạo ra một trong những bộ truyền động chạy bằng điện mỏng và mềm nhất từng được ghi nhận. Nhờ đặc tính dẻo dai như một sợi chỉ thông thường, nó có thể dễ dàng tích hợp vào các loại vải dệt hoặc các cấu trúc cơ khí linh hoạt.”

Về cơ bản, bộ truyền động mềm là loại vật liệu có khả năng chuyển đổi trực tiếp điện năng thành chuyển động cơ học. Đây là "linh hồn" của các công nghệ tương lai như robot mềm, thiết bị hỗ trợ y tế và hệ thống trợ lực đeo trên người. Trước đây, các bộ truyền động truyền thống thường phụ thuộc vào kim loại, điển hình là hợp kim nhớ hình.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu kim loại thường có độ cứng lớn, khả năng vận động hạn chế và đòi hỏi phương pháp kích hoạt phức tạp như cần nhiệt độ cao hoặc từ trường mạnh.

Để giải quyết bài toán này, nhóm đã cải tiến kỹ thuật “kéo sợi nhiệt” – vốn là công nghệ cốt lõi trong sản xuất sợi quang học. Thông qua quy trình kéo sợi được tối ưu hóa, họ đã chế tạo thành công sợi truyền động đạt độ mảnh tương đương tóc người nhưng vẫn giữ nguyên độ mềm mại và tính linh hoạt tự nhiên.

Đột phá từ vật liệu Polyurethane nhiệt dẻo

"Trái tim" của công nghệ này chính là nhựa Polyurethane nhiệt dẻo (TPU) – một loại vật liệu siêu đàn hồi đóng vai trò như chất đàn hồi điện môi (dielectric elastomer). Đặc tính của nó là tự biến dạng khi tiếp xúc với điện trường. Bằng cách thiết lập các điều kiện xử lý tương thích với quy trình kéo sợi nhiệt, nhóm đã tạo ra những sợi fiber phản ứng nhạy bén với điện áp, tạo ra các chuyển động gợn sóng nhịp nhàng trong không gian ba chiều.

Điểm vượt trội của loại sợi này nằm ở khả năng ứng dụng thực tiễn cực cao nhờ hình dáng sợi chỉ. Khác với các bộ truyền động dạng tấm phẳng hay khối cồng kềnh, sợi fiber mới có thể quấn thành lò xo xoắn, đan thành vải hoặc dệt trực tiếp vào các cấu trúc 3D phức tạp. Điều này cho phép tạo ra những chuyển động mềm mại mà các hệ thống cơ khí truyền thống không thể thực hiện được, đồng thời mang lại cảm giác êm ái như cao su, hoàn toàn an toàn khi tiếp xúc trực tiếp với làn da con người.

Giải quyết bài toán độ cứng trong robot học

Trong bài báo công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng ACS Omega , nhóm nghiên cứu thừa nhận các sợi truyền động trước đây thường bị giới hạn bởi độ cứng quá cao và cấu trúc kích hoạt rườm rà do sử dụng vật liệu cứng hoặc hệ thống điều khiển từ tính phức tạp.

Nghiên cứu nhấn mạnh: “Để vượt qua rào cản của các hệ thống sợi kéo nhiệt hiện nay, chúng tôi giới thiệu loại sợi truyền động mềm hoàn toàn bằng polymer dựa trên chất đàn hồi điện môi. Polyurethane (PU) nhiệt dẻo được chọn làm vật liệu nền nhờ sự tương thích tuyệt vời với quy trình kéo sợi nhiệt và phản ứng điện hoạt nhạy bén.”

Kết quả đo lường cho thấy các sợi truyền động đàn hồi điện môi (DEA) này sở hữu độ mềm tự nhiên với mô-đun Young tổng thể đạt mức 37 MPa. Thông số này cho phép chúng thực hiện các chế độ vận động đa dạng từ uốn, nén đến xoáy 3D dưới sự điều khiển của dòng điện. Theo báo cáo, độ biến dạng nén ước tính đạt 1,59% ở tần số 1 Hz và điện trường 2,4 MV/m – một con số ấn tượng và nhất quán với các tiêu chuẩn khắt khe trong giới khoa học vật liệu.