Pháp sư Trung Quốc có thể làm robot bơi nhanh như cá

[Minh Nguyệt]

Các loài cá có khả năng bơi lội nhanh chóng qua mặt nước và xoay mình một cách linh hoạt chỉ với một cái vẫy đuôi. Nhiều nhà nghiên cứu đang nỗ lực để phát triển những con robot dưới nước có khả năng tương tự. Đặc biệt, một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã đạt được tiến bộ đáng kể khi sử dụng một chiếc vây điện từ có tính linh hoạt, giúp robot dưới nước di chuyển với vận tốc lên tới 405 milimét (tương đương 1,66 lần chiều dài cơ thể) trong mỗi giây. Con robot bơi này cũng có khả năng xoay trở chỉ với bán kính 0,86 lần chiều dài cơ thể.

Fanghao Zhou, một phó giáo sư tại Phòng thí nghiệm Nhà nước về Giám sát Đại dương của Đại học Zhejiang, đã đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu này. Ông cho biết, cá là những sinh vật nhanh nhẹn, hiệu quả và thích ứng tốt, và việc tái tạo những phẩm chất này bằng robot là một thách thức lớn. Theo Zhou, "Các vây robot truyền thống chạy bằng động cơ có thể tạo ra lực đẩy mạnh mẽ, nhưng thường thì chúng lại cồng kềnh và cứng nhắc. Ngược lại, các bộ truyền động mềm linh hoạt nhưng thường quá yếu để có thể thực tiễn. Mục tiêu của chúng tôi là kết hợp những ưu điểm của cả hai lĩnh vực - tạo ra một bộ truyền động nhỏ gọn, mạnh mẽ nhưng cũng linh hoạt như cơ bắp thật."

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một chiếc vây điện từ linh hoạt với khớp đàn hồi, cho phép nó lắc qua lại với ít ma sát. Cấu trúc của nó bao gồm hai cuộn dây nhỏ và các nam châm hình cầu. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua các cuộn dây, nó tạo ra một trường điện từ dao động, khiến cho vây đập qua lại giống như đuôi cá. Khi trường điện từ không dao động, vây sẽ trở về vị trí nghỉ.

Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm chiếc vây sinh học trong một bể bơi. Zhe Wang, một sinh viên nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Zhou, khẳng định rằng nhóm không chỉ điều khiển thành công chiếc vây sinh học trong nước, mà còn xây dựng một mô hình toán học liên kết giữa đầu vào điện và đầu ra lực đẩy thủy động học. “Điều này có nghĩa là chúng tôi có thể dự đoán hành vi của vây dưới nước chỉ dựa vào dòng điện đầu vào, điều này khá hiếm gặp trong lĩnh vực robot mềm,” Wang nói.

Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng camera tốc độ cao và cảm biến lực chính xác để đo lường quỹ đạo của vây cũng như lực đẩy mà nó tạo ra, đạt được lực đẩy tối đa lên tới 0.493 newton, dù cho vây chỉ nặng 17 gram. Zhou cho biết hệ thống robot này nhỏ, nhẹ và mạnh mẽ, và sẽ dễ dàng mở rộng thành các hệ thống nhiều vây. Tuy nhiên, ông cũng nhấn mạnh rằng thiết kế hiện tại tiêu tốn nhiều năng lượng. “Các cuộn điện từ tiêu thụ một lượng lớn dòng điện, vì vậy thời gian bơi lội còn tương đối ngắn,” ông giải thích. “Chúng tôi đang khám phá các cách để giảm thiểu tổn thất năng lượng, ví dụ như tối ưu hóa hình dạng cuộn dây, sử dụng mạch hồi phục năng lượng và áp dụng các chiến lược điều khiển thông minh không yêu cầu kích thích liên tục.”

Các nhà nghiên cứu tin rằng hệ thống robot này có thể có nhiều ứng dụng, bao gồm khám phá dưới nước, giám sát sinh thái và kiểm tra, như tương tác an toàn với các rạn san hô và hệ sinh thái biển. “Bước tiếp theo của chúng tôi là nghiên cứu chuyển động phối hợp của nhiều vây, giúp robot thực hiện các hành vi bơi lội linh hoạt và sống động hơn,” Wang cho biết. “Chúng tôi cũng đang tìm cách cải thiện hiệu suất năng lượng, kéo dài thời gian hoạt động và tiếp tục thu nhỏ hệ thống cho những nền tảng tự động dưới nước nhỏ gọn.”

Chiếc vây sinh học của các nhà nghiên cứu đã được mô tả trong một nghiên cứu được công bố vào ngày 4 tháng 9 trên tạp chí IEEE Robotics and Automation Letters.