Công nghệ in 3D đột phá: Robot tự động bước ra từ khối vật liệu nguyên khối

TPO - Các nhà nghiên cứu Scotland đã đạt bước tiến mới trong sản xuất robot 3D hàng loạt. Chỉ từ một khối vật liệu ban đầu, sau quá trình in 3D đặc biệt, sản phẩm đầu ra là một robot có cấu trúc mềm dẻo có thể di chuyển ngay lập tức.

Vào tháng 3 vừa qua, giới công nghệ đã chứng kiến sự xuất hiện của robot 6 chân được in 3D liên tục trong 58 giờ tại UC San Diego. Khác biệt với các robot thông thường, mẫu robot này sử dụng khí nén thay vì động cơ điện để điều khiển chuyển động tuần tự của các chân. Tương tự, robot 4 chân mới từ Đại học Edinburgh cũng áp dụng công nghệ điều khiển bằng khí nén.

Điểm khác biệt đáng chú ý là thời gian in của robot Edinburgh chỉ bằng 1/6 so với phiên bản San Diego (9 giờ so với 58 giờ). Hơn nữa, trong khi robot Mỹ được tạo ra bằng máy in giá 1.000 USD, thì phiên bản Scotland sử dụng hệ thống in mã nguồn mở Flex Printer với chi phí chỉ khoảng 500 USD, được lắp ráp từ các linh kiện phổ biến.

Cả hai robot đều sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo polyurethane (TPU) có độ mềm dẻo cao. Quy trình sản xuất bắt đầu từ sợi nhựa được nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy, sau đó được phun từng lớp qua vòi phun để tạo hình hoàn chỉnh cho robot.

Tuy nhiên, việc xử lý TPU ở trạng thái nóng chảy gặp nhiều thách thức do tính chất quá mềm của vật liệu. Thay vì tạo thành các đường thẳng như mong muốn, vật liệu thường có xu hướng cong vênh khi phun ra. Các nhà khoa học ví quá trình này giống như 'cố gắng đẩy một sợi dây mềm' - đòi hỏi kỹ thuật xử lý đặc biệt.

Một thách thức khác là khi TPU nóng chảy chưa kịp đông đặc (dù vẫn giữ tính đàn hồi), trọng lực khiến nó bị biến dạng. Điều này gây khó khăn đặc biệt khi in các cấu trúc dạng cầu treo ngang, vì hiện tượng chảy xệ có thể ngăn cản các lớp TPU liên kết và kết dính với nhau.

Giải pháp cho vấn đề cong vênh là sử dụng sợi TPU có đường kính lớn hơn và độ cứng cao hơn, phổ biến trên thị trường. Trong thử nghiệm, phương pháp này giúp giảm độ cong vênh của vật liệu khi đùn tới 7 lần.

Vấn đề chảy xệ được khắc phục bằng phương pháp in 3D đảo ngược. Thay vì đặt TPU lên bệ in từ trên xuống, vòi phun của Flex Printer đẩy vật liệu từ dưới lên bề mặt in. Cách tiếp cận này tận dụng trọng lực để giúp các lớp TPU kết dính chặt chẽ hơn, khi mỗi lớp mới được ép vào lớp trước đó. Sau khi hoàn thành, khay in được lật ngược để robot ở đúng vị trí.

Robot sau khi in được kết nối với bộ dao động khí nén vòng, cung cấp luồng khí áp suất 2.25 bar vào các kênh bên trong. Áp lực khí tuần tự kích hoạt hai bộ truyền động dây chằng ở mỗi chân, giúp di chuyển theo phương ngang, cùng với cơ cấu nâng chân khỏi mặt đất.

Dù mẫu robot trong nghiên cứu này chỉ mang tính minh họa, công nghệ nguồn mở này hứa hẹn thúc đẩy phát triển robot mềm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thám hiểm, y tế, cứu hộ và tìm kiếm.

"Với nền tảng mới, bất kỳ ai cũng có thể dễ dàng in những thứ trước đây bị coi là bất khả thi", Maks Gepner - kỹ sư Đại học Edinburgh, người đứng đầu nghiên cứu cùng Giáo sư Adam A. Stokes chia sẻ. "Sau khi loại bỏ những rào cản lâu năm về sản xuất và thiết kế, chúng tôi tin robot mềm đã sẵn sàng tạo ra ảnh hưởng lớn trong thực tế".