Cuộc đua cải tiến cơ nhân tạo biến robot thành 'siêu lực sĩ' vừa mạnh vừa dẻo
Robot, đặc biệt là robot hình người ngày càng được ứng dụng vô cùng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực như làm việc nhà, chăm sóc người lớn tuổi, phụ trách khâu dịch vụ khách hàng, tham gia dây chuyền sản xuất hay phục vụ kho hàng.
Ứng dụng đa lĩnh vực đòi hỏi chúng phải vừa mạnh mẽ vừa linh hoạt để đáp ứng nhiều nhu cầu khác nhau, đặt ra thách thức không hề nhỏ cho các nhà sản xuất.
Vì vậy mà giới nghiên cứu không ngừng tìm cách nâng cao hiệu suất cơ nhân tạo trang bị cho robot, khiến “hàng mô phỏng” hoạt động giống cơ bắp sinh học hết mức có thể. Cuộc đua cải tiến đã đem lại không ít thành quả.
Cải tiến truyền động
Hướng nghiên cứu chủ đạo là cải tiến truyền động. Bên cạnh động cơ khí nén truyền thống, một số công trình thử nghiệm phát triển cơ nhân tạo dùng cơ chế truyền động điện - thủy lực (HASEL).
Chẳng hạn Viện Công nghệ liên bang Thụy Sĩ (ETH Zurich) hợp tác Viện Nghiên cứu hệ thống thông minh Max Planck (MPI-IS) chế tạo chân robot với phần cơ là túi nhựa chứa đầy dầu, khoảng một nửa mỗi túi được phủ điện cực màu đen làm bằng vật liệu dẫn điện ở cả hai mặt.
Khi truyền điện vào điện cực thì bị hút vào nhau do tĩnh điện. Nếu tăng điện áp, điện cực hút gần nhau hơn khiến dầu chảy sang một bên. Độ dài tổng thể của túi vì vậy mà rút ngắn. Một cơ co lại thì cơ đối diện duỗi ra. Chân robot tùy thuộc bề mặt cứng hay mềm để điều chỉnh góc tiếp đất chứ không lập trình trước, tăng đáng kể tính linh hoạt. Tuy nhiên hiện tại nguyên mẫu cơ nhân tạo chỉ mới nhảy theo vòng tròn quanh một điểm cố định chứ chưa thể di chuyển tự do.
.jpg)
Đại học Northwestern (Mỹ) thì kết hợp motor điện với cơ mềm bằng cao su. Cơ nhân tạo là một ống hình trụ in 3D với khả năng giãn nở và mở rộng khi bị xoắn, được bọc trong một lớp cao su cứng dạng ống xếp origami. Chuyển động xoắn do motor tích hợp bên trong điều khiển. Loại cơ này có thể kéo giãn đến 30% chiều dài ban đầu, co lại và nâng vật nặng gấp 17 lần trọng lượng của chính nó.
Cải tiến vật liệu
Một hướng nghiên cứu khác là cải tiến vật liệu, cả về cấu trúc lẫn đặc tính. Viện nghiên cứu Polymer thuộc Đại học Tứ Xuyên (Trung Quốc) đưa nano kim loại lỏng vào ma trận polyurethane, tạo nên vật liệu cứng cáp mà vẫn linh hoạt. Mấu chốt nằm ở hạt nano gốc gali được bọc trong lớp vỏ polyphenol hữu cơ, tương tác liền mạch với polyurethane. Vật liệu tổng hợp này đạt mật độ năng lượng 58,8 kilojoule/m3 (gần gấp đôi cơ người).
Đại học Texas cơ sở Austin cùng Đại học bang Penn (Mỹ) thì hợp tác phát triển sợi nhân tạo dựa trên polymer - vật liệu quen thuộc trong chế tạo cơ mềm. Sợi co-polymer khối được tạo ra chỉ bằng cách nhúng polymer vào dung môi rồi thêm nước. Một phần sợi ưa nước và phần còn lại kị nước, phần kị nước tạo nên cấu trúc sợi. So với cơ chế truyền động thông thường, sợi đạt hiệu quả chuyển đổi năng lượng thành chuyển động cao hơn 75%, mức độ chịu lực kéo cao hơn 80%, có thể quay tốc độ và lực mạnh hơn.
Viện Khoa học và Công nghệ quốc gia Ulsan (UNIST) của Hàn Quốc vừa chế tạo được một loại cơ nhân tạo hứa hẹn biến robot thành “siêu lực sĩ”.
Loại cơ mà họ phát triển là sự kết hợp hóa học phức tạp giữa các polymer liên kết với nhau để mô phỏng cách cơ thật co giãn. Một trong số polymer có thể thay đổi độ cứng và được đặt trong ma trận vi hạt từ tính trên bề mặt cũng có thể điều khiển. Độ cứng điều chỉnh được kết hợp từ tính cho phép cơ nhân tạo hoạt động.
Thiết kế mới tích hợp 2 cơ chế liên kết chéo riêng biệt: mạng lưới hóa học liên kết cộng hóa trị (2 hoặc nhiều nguyên tử chia sẻ electron nhằm đạt cấu trúc ổn định hơn) cùng mạng lưới tương tác vật lý thuận nghịch. Hai cơ chế đem lại độ bền trong hoạt động lâu dài.
Cơ dùng vật liệu tổng hợp trở nên cứng khi chịu tải trọng nặng và mềm ra khi cần co lại. Ở trạng trái cứng, cơ nhân tạo chỉ nặng 1,13 gam chịu được trọng lượng 5 kg - gấp khoảng 4.400 lần trọng lượng của chính nó. Cơ bắp người thường co lại ở mức căng khoảng 40%, nhưng cơ dùng vật liệu tổng hợp đạt mức căng 86,4% nên mật độ hoạt động lên đến 1.150 kilojoule/m3.
.jpg)