SINGAPORE – Nhờ tính linh hoạt cao và khả năng tiếp xúc nhẹ nhàng, robot mềm (soft robot) (1) đặc biệt phù hợp để di chuyển qua các không gian nhạy cảm hoặc chật hẹp nhằm thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, chẳng hạn như kiểm tra đường ống công nghiệp trong các nhà máy hóa chất. Tuy nhiên, việc đạt được “trí tuệ hiện thân” (embodied intelligence) (2) trong các hệ thống này (nơi khả năng cảm biến, chuyển động và nguồn cung cấp năng lượng phối hợp chặt chẽ trong một cấu trúc không dây) vẫn còn là một thách thức lớn.
(1) Robot mềm: là loại robot được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu mềm, đàn hồi và có khả năng biến dạng, mô phỏng cách sinh vật sống (như bạch tuộc, giun, cá đuối,…) chuyển động và tương tác với môi trường.
(2) Trí tuệ hiện thân: là khái niệm chỉ trí tuệ phát sinh từ sự tương tác chặt chẽ giữa cơ thể vật lý, cảm biến, cơ cấu chuyển động và môi trường, chứ không chỉ đến từ thuật toán hay bộ xử lý trung tâm. Nói cách khác, trí tuệ không “nằm riêng trong não bộ”, mà được hình thành và hỗ trợ bởi chính hình dạng, vật liệu và cách cơ thể vật lý vận động trong thế giới thực.

Robot cá đuối manta

Các vật liệu mềm có thể biến dạng và thích nghi, nhưng nguồn năng lượng của chúng thì không. Pin truyền thống thường làm cứng thân của robot, nhanh chóng cạn năng lượng hoặc suy giảm dưới tác động cơ học, khiến robot mềm phải phụ thuộc vào dây nối hoặc thời gian vận hành ngắn.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu từ đại học quốc gia Singapore (National university of Singapore) đã tìm ra cách biến chính hạn chế này thành lợi thế. Kết quả nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Science Advances, cho thấy cùng một từ trường dùng để điều khiển robot mềm cũng có thể cải thiện hiệu suất của các pin được tích hợp bên trong robot.

Trợ lý Giáo sư Wu Changsheng cho biết: “Từ trường thường được sử dụng để kích hoạt chuyển động trong robot mềm (được gọi là truyền động), nhưng chúng tôi nhận ra rằng từ trường cũng có thể giúp ổn định các phản ứng điện hóa bên trong pin mềm (flexible batteries) (*). Việc cho phép truyền động và quản lý năng lượng cùng dựa trên một nguyên lý vật lý, giúp chúng tôi tạo ra một robot độc lập và hiệu quả.”
(*) Pin mềm: là loại pin được thiết kế để có thể uốn cong, gấp lại, xoắn hoặc thậm chí kéo giãn mà vẫn duy trì được khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế các pin kẽm–mangan dioxit (Zn–MnO₂) dạng mềm, được bao bọc trong silicon đàn hồi và xếp chồng theo phương thẳng đứng bên trong thân robot, với ý tưởng thiết kế từ cá đuối manta. Không giống như cách bố trí ngang truyền thống, cấu trúc tích hợp theo chiều dọc này tối ưu hóa không gian, đồng thời duy trì tính mềm dẻo của robot.

Trợ lý Giáo sư Wu Changsheng chia sẻ: “Chúng tôi lấy ý tưởng từ cá đuối manta vì cấu trúc cơ thể của nó thể hiện chính xác điều mà chúng tôi muốn đạt được, sự tích hợp tự nhiên giữa chuyển động, cảm biến và sử dụng năng lượng. Hình thái này cho phép sự phối hợp đồng bộ giữa nhiều chức năng trong một cấu trúc nhỏ gọn và hiệu quả, khiến nó trở thành mô hình sinh học lý tưởng cho trí tuệ hiện thân.”

Thông qua các thử nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng từ trường do chính các bộ truyền động sắt từ của robot tạo ra đã ổn định tình trạng hóa học bên trong các pin mềm, làm giảm nguy cơ hình thành dendrite (các tinh thể kim loại hình kim gây đoản mạch), đồng thời duy trì đầu ra năng lượng dưới các chu kỳ uốn cong và ứng suất lặp lại. Khi được tăng cường bằng từ trường, các pin này vẫn giữ được 57,3% dung lượng sau 200 chu kỳ, gần gấp đôi so với các mẫu không được tăng cường.

Cô Xiao Xiao, đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết thêm: “Sau quá trình nghiên cứu chuyên sâu, chúng tôi đã làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của sự cải tiến này. Lực lorentz (1) tạo ra bởi từ trường tác động lên các ion đang di chuyển trong chất điện phân và điều hướng quỹ đạo của ion kẽm trong quá trình mạ, tạo ra dòng ion đồng nhất hơn. Điều này thúc đẩy quá trình bồi lắng kẽm diễn ra đều đặn tại cực dương và ức chế hiệu quả sự phát triển của các nhánh gai (dendrite). Đồng thời, từ trường giúp căn chỉnh các spin (2) của điện tử (electron) trong mạng lưới mangan oxit, củng cố các liên kết nguyên tử và ngăn chặn sự phân rã tinh thể trong chu kỳ nạp/ xả. Sự ổn định kép về điện hóa từ tính này, khi được triển khai trên một cấu trúc linh hoạt hoàn toàn, là một bước tiến đầy hứa hẹn hướng tới các hệ thống năng lượng tích hợp bền bỉ cho robot mềm hoạt động trong các môi trường năng động và phức tạp.”
(1) Lực lorentz: là lực điện từ tác dụng lên hạt mang điện (như electron, proton). Khi hạt đó chuyển động trong từ trường và/ hoặc điện trường. Đây là nền tảng chi phối cách các hạt điện tích chuyển động trong rất nhiều hiện tượng vật lý và công nghệ.
(2) Spin của điện tử: các nhà vật lý dùng thuật ngữ “spin” (nghĩa là xoay tròn) để mô tả mô-men động lượng riêng của điện tử (electron). Mỗi electron có một từ trường nhỏ xung quanh nó, giống như một thanh nam châm cực nhỏ với cực bắc và cực nam. Hướng của “nam châm” này được quyết định bởi hướng của spin (thường được gọi là “spin lên” hoặc “spin xuống”).

Để chứng minh khái niệm này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một robot cá đuối manta kích hoạt bằng từ tính, được trang bị pin mềm, các bộ truyền động đàn hồi từ tính mềm và một mạch hybrid trọng lượng nhẹ làm cảm biến và giao tiếp không dây. Các vây của robot vỗ nhịp phản ứng với từ trường bên ngoài được tạo ra bởi một cuộn dây hoặc hệ thống nam châm điện, cho phép nó ổn định trong chuyển động và thích nghi với các bề mặt nước khác nhau.

Đúng như kỳ vọng, chính từ trường đã điều khiển và định hướng robot, đồng thời tăng cường sự ổn định năng lượng, đã chứng minh giả thuyết của các nhà nghiên cứu trong việc hợp nhất điều khiển chuyển động với quản lý năng lượng. Robot có thể thực hiện các thao tác bơi cơ bản như đẩy tuyến tính, quay 90 độ và di chuyển theo các quỹ đạo phức tạp, đồng thời truyền dữ liệu thực tế về máy tính để mô phỏng chuyển động trong bản song sinh kỹ thuật số (digital twin).

Trong thiết lập này, robot đã thể hiện khả năng ra quyết định tự động vận hành. Ví dụ, khi gặp vật cản, các cảm biến gia tốc tích hợp sẽ phát hiện những thay đổi đột ngột về gia tốc, từ đó kích hoạt hệ thống điều khiển điều chỉnh hướng và lộ trình. Robot đã điều hướng thành công qua các khe hẹp bằng cách điều chỉnh tư thế và thực hiện quay đầu khi đối mặt với các chướng ngại vật không thể vượt qua. Trong các thử nghiệm gây nhiễu, thuật toán phản hồi đã nhanh chóng hiệu chỉnh các sai lệch về góc xoay, độ dốc và độ nghiêng do các ngoại lực như sóng hoặc va chạm vật lý gây ra, duy trì kiểm soát sự ổn định của quỹ đạo. Các cảm biến nhiệt độ tích hợp cho phép giám sát môi trường, thiết lập bản đồ gradient nhiệt trong môi trường nước.

Hướng tới tương lai, các nhà nghiên cứu dự kiến sẽ mở rộng khả năng cảm biến của robot bằng cách tích hợp các cảm biến thu nhỏ như cảm biến siêu âm để nhận biết môi trường xung quanh hoặc máy dò hóa chất để giám sát chất lượng nước. Họ cũng đang nghiên cứu cách thức tăng cường từ tính có thể cải thiện các loại pin khác, như pin lithium-ion, hoặc các loại pin khác như sợi pin đeo được (wearable battery fibres), nhằm nâng cao mật độ năng lượng và độ bền trong vận hành.

Trợ lý Giáo sư Wu Changsheng chia sẻ: “Tầm nhìn của chúng tôi là tạo ra những robot mềm có khả năng tư duy và hành động tự lập trong các không gian phức tạp hoặc khó tiếp cận, dù là kiểm tra đường ống, giám sát môi trường sống dưới biển hay hỗ trợ các can thiệp y tế trong phòng mổ”.

Để xem các tin bài khác về “Robot mềm”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online

Lưu ý: 

Để xem và khai thác hiệu quả nội dung của video clip nói trên (từ YouTube/ một dịch vụ của Google), Quý vị có thể thực hiện các bước sau:
1. Nếu tốc độ internet nhanh, có thể mở chế độ xem toàn màn hình bằng cách nhấn vào khung [ ] tại góc phải (phía dưới góc phải của video)
2. Chọn chế độ hình ảnh tốt nhất của đoạn video, hãy click vào hình bánh xe răng cưa và chọn chất lượng cao hơn (hoặc HD) theo ý muốn
3. Để hiển thị nội dung phụ đề, nhấn vào nút biểu tượng phụ đề [cc]. Một số video không có chức năng này sẽ không có biểu tượng phụ đề.
4. Quý vị có thể nghe hiểu tiếng Anh và có nhu cầu chia sẻ thông tin đến cộng đồng, hãy hỗ trợ techMAG biên dịch nội dung video và gửi cho chúng tôi để có cơ hội đăng thông tin lên technologyMag.net