Thuỵ Sĩ thành công chế tạo robot từ phế phẩm chúng ta vứt đi hàng ngày

[Tháp rơi tự do]

Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Lausanne (EPFL) đã tích hợp trực tiếp vỏ tôm hùm bỏ đi vào các thiết bị robot , tạo ra các robot sinh học lai có thể nắm bắt vật thể và tự di chuyển khi bơi.

Nghiên cứu này, đến từ Phòng thí nghiệm Thiết kế và Chế tạo Robot Tính toán (CREATE Lab) thuộc Trường Kỹ thuật EPFL, gần đây đã được công bố trên Advanced Science, một tạp chí hàng đầu trong lĩnh vực khoa học vật liệu .

Robot truyền thống chủ yếu được làm từ kim loại, nhựa và vật liệu tổng hợp; ngay cả robot mô phỏng sinh học cũng sử dụng vật liệu nhân tạo. Nhưng lần này, nhóm nghiên cứu đã đi theo hướng ngược lại, sử dụng vật liệu sinh học—lớp vỏ ngoài của tôm hùm đất—làm thành phần cốt lõi của robot.

Theo Josie Hughes, người đứng đầu phòng thí nghiệm, việc kết hợp các yếu tố sinh học với các thành phần tổng hợp không chỉ có thể cải thiện hiệu suất của robot mà còn hỗ trợ phát triển các hệ thống công nghệ bền vững.

Tại sao vỏ tôm có thể được dùng để chế tạo robot?​

Bộ xương ngoài của các loài giáp xác khá phức tạp. Nhóm nghiên cứu giải thích rằng bộ xương ngoài kết hợp lớp vỏ khoáng hóa với các màng khớp, tạo ra sự cân bằng giữa độ cứng và độ linh hoạt. Cấu trúc này cho phép mỗi đoạn chuyển động độc lập, giúp các loài giáp xác thực hiện các chuyển động nhanh, tạo mô-men xoắn cao trong nước. Đây chính xác là những đặc điểm mà robot cần có.

Một cách khéo léo hơn nữa, bằng cách tái sử dụng chất thải thực phẩm, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một quy trình thiết kế tuần hoàn bền vững — các vật liệu có thể được tái chế và sử dụng cho các nhiệm vụ mới.

Việc đó được thực hiện như thế nào?​

Nhóm nghiên cứu đã nhúng các chất đàn hồi vào bên trong lớp vỏ ngoài của tôm hùm để điều khiển từng đoạn , sau đó gắn nó lên một đế có động cơ để điều chỉnh độ cứng (giãn nở và uốn cong). Cuối cùng, họ phủ một lớp silicon lên lớp vỏ ngoài để gia cố và kéo dài tuổi thọ.

Dựa trên thiết kế này, nhóm nghiên cứu đã chứng minh ba ứng dụng của robot.

Đầu tiên, phải kể đến việc ứng dụng cánh tay robot . Khi được gắn trên đế có động cơ, thiết bị này có thể di chuyển các vật nặng tới 500 gram đến khu vực mục tiêu. Cần lưu ý rằng, đó là một trọng lượng khá đáng kể—tương đương với khoảng một chai nước khoáng.

Thứ hai, có các ứng dụng cầm nắm . Bằng cách kết hợp hai bộ khung xương ngoài thành một cặp kẹp, chúng có thể cầm nắm thành công các vật thể có kích thước và hình dạng khác nhau , từ bút dạ quang đến cà chua. Khả năng thích ứng này rất quan trọng đối với robot.

Ứng dụng đáng ngạc nhiên nhất là trong bơi lội . Nhóm nghiên cứu đã sử dụng hai bộ khung xương ngoài để tạo ra các "vây" vẫy, đẩy robot bơi về phía trước với tốc độ 11 cm/giây . Mặc dù tốc độ này không nhanh, nhưng nó cho thấy tiềm năng của vật liệu sinh học trong lĩnh vực robot dưới nước.

Điều đáng chú ý là hệ thống này cũng có thể tái chế . Sau khi sử dụng, khung xương ngoài và đế robot có thể được tách rời, và hầu hết các bộ phận cấu thành đều có thể được tái sử dụng.

"Theo hiểu biết của chúng tôi, chúng tôi là những người đầu tiên đề xuất một mô hình thử nghiệm tích hợp phế phẩm thực phẩm vào hệ thống robot , kết hợp thiết kế bền vững với việc tái sử dụng và tái chế," Saraeum Kim, tác giả chính của bài báo và là nhà nghiên cứu tại CREATE Labs, cho biết.

Vật liệu sinh học cho robot: Thách thức và triển vọng cùng tồn tại​

Dĩ nhiên, phương pháp này cũng gặp phải những thách thức. Hạn chế lớn nhất nằm ở sự khác biệt tự nhiên trong cấu trúc sinh học . Ví dụ, hình dạng đuôi của mỗi con tôm hùm đất là độc nhất, điều đó có nghĩa là độ cong ở hai bên của hai "ngón tay" kẹp sẽ hơi khác nhau.

Các nhà nghiên cứu cho rằng việc giải quyết vấn đề này đòi hỏi phải phát triển các cơ chế tăng cường tổng hợp tiên tiến hơn, chẳng hạn như bộ điều khiển có thể điều chỉnh được.

Bất chấp những thách thức, nhóm nghiên cứu vẫn tự tin về tương lai. Họ tin rằng với những tiến bộ công nghệ, các hệ thống tích hợp các yếu tố cấu trúc có nguồn gốc sinh học sẽ có tiềm năng rất lớn , chẳng hạn như ứng dụng trong cấy ghép y sinh hoặc nền tảng giám sát hệ thống sinh học.

Hughes kết luận: " Mặc dù thiên nhiên không nhất thiết cung cấp hình thức tối ưu, nhưng nó vượt trội hơn các hệ thống nhân tạo ở nhiều khía cạnh và mang lại những hiểu biết quý giá về thiết kế máy móc chức năng dựa trên nguyên tắc về sự thanh lịch."

Ý nghĩa của nghiên cứu này không chỉ nằm ở sự đổi mới công nghệ. Trong thế giới ngày nay, khi đối mặt với những thách thức môi trường toàn cầu, việc chuyển đổi các vật liệu sinh học thải loại thành các sản phẩm công nghệ cao chắc chắn mang lại một hướng tiếp cận mới cho sự phát triển bền vững.

Có lẽ trong tương lai gần, vỏ hải sản trên bàn ăn của chúng ta sẽ thực sự được biến thành những robot có khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. Loại hình đổi mới "biến rác thải thành kho báu" này khiến người ta phải kinh ngạc trước những kỳ diệu của công nghệ.