Buzz
Thành tựu này được đánh giá là một bước đột phá quan trọng, mở ra khả năng cho robot hình người trong tương lai có thể di chuyển và thực hiện các hành động một cách tự nhiên và linh hoạt như con người.
Các nhà khoa học Hàn Quốc đã tạo ra một loại cơ nhân tạo với khả năng co giãn và chuyển động linh hoạt đến mức ấn tượng: chỉ với 1,2 gram vật liệu, nó có thể nâng lên đến 5 kg, gấp 4.000 lần trọng lượng của chính mình.
Công trình này đến từ Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) tại Hàn Quốc và đã được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials. Theo nhóm nghiên cứu, cơ nhân tạo mới này là một dải vật liệu nhỏ, mềm dẻo nhưng có thể thay đổi tính chất chỉ trong tích tắc: từ mềm mại như cao su đến cứng rắn như thép, đồng thời tạo ra nguồn năng lượng cơ học mạnh mẽ hơn nhiều lần so với mô cơ của con người.
Khi ở trạng thái mềm, cơ nhân tạo này có thể kéo dài lên đến 12 lần chiều dài ban đầu và co lại với lực căng đạt 86,4%, gấp đôi sức co của cơ thể người. Khi chuyển sang trạng thái cứng, dải vật liệu 1,2 gram này có thể chịu tải trọng lên tới 5 kg mà không bị hư hại.
Mật độ công suất của cơ nhân tạo này – năng lượng cơ học mà nó có thể tạo ra – đạt mức 1.150 kJ/m 3, cao gấp 30 lần so với mô cơ sinh học.
Đây là một giải pháp quan trọng cho việc phát triển robot mềm trong tương lai, mở ra những khả năng mới cho công nghệ robot học.
Trước đây, các nhà khoa học đã phải đối mặt với bài toán nan giải trong việc phát triển cơ nhân tạo: vật liệu mềm mang lại sự linh hoạt nhưng lại thiếu sức mạnh, trong khi vật liệu cứng tuy mạnh mẽ nhưng lại kém linh hoạt. Các robot mềm với xúc tu silicon hoặc bơm hơi thường uốn cong dễ dàng, nhưng lại không thể nâng được các vật nặng. Sự đánh đổi giữa "độ mềm dẻo" và "sức mạnh" chính là rào cản khiến robot khó đạt được khả năng giống như cơ thể con người.
Nhóm nghiên cứu tại UNIST đã tìm ra giải pháp bằng cách kết hợp polymer thông minh với các hạt từ tính siêu nhỏ, tạo ra một vật liệu có thể điều khiển cả độ cứng và hình dạng chỉ bằng nhiệt và từ trường. Khi được làm nóng, vật liệu trở nên mềm dẻo và dễ uốn nắn; khi nguội, nó tự đóng lại ở trạng thái cứng chắc như nhựa kỹ thuật.
Bí quyết nằm ở việc sử dụng "cấu trúc kép" và các nam châm siêu nhỏ.
Cơ nhân tạo của UNIST được tạo thành từ một loại polymer nhớ hình từ tính, có khả năng "nhớ" lại hình dạng ban đầu và tự phục hồi khi được kích hoạt bằng nhiệt. Vật liệu nền là stearyl methacrylate, một loại nhựa đặc biệt được "liên kết chéo" với ethylene glycol dimethacrylate, giúp nó có độ bền cao nhưng vẫn giữ được tính linh hoạt.
Điểm đặc biệt của vật liệu này là thiết kế "hai mạng lưới" chồng chéo: một mạng hóa học vĩnh viễn giúp duy trì độ bền, và một mạng vật lý có khả năng kết tinh và tan chảy linh hoạt. Khi kết tinh, vật liệu trở nên cứng như thủy tinh; khi tan chảy, nó mềm như cao su.
Nhóm nghiên cứu còn bổ sung các hạt từ tính neodymium-sắt-boron phủ silica vào vật liệu, giúp nó có khả năng phản ứng với từ trường. Khi tiếp xúc với từ trường mạnh, các hạt này xếp thành hàng, tạo ra một "hướng từ" giống như trí nhớ cơ bắp. Nhờ vậy, cơ có thể được "lập trình" để uốn cong, cuộn tròn hoặc co giãn theo ý muốn, rồi sẽ cố định lại khi nguội.
Giáo sư Hoon Eui Jeong, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, cho biết: "Chúng tôi đã vượt qua được giới hạn cơ bản của cơ nhân tạo truyền thống, vốn chỉ có thể mạnh hoặc mềm. Vật liệu mới này có thể làm được cả hai, mở ra cơ hội cho các robot mềm, thiết bị đeo và giao diện người-máy trực quan hơn."
Trong các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu tại UNIST đã "huấn luyện" các dải cơ nhân tạo này thực hiện những nhiệm vụ thực tế. Một mô hình tay robot làm từ vật liệu mới có thể nắm và nâng một thanh kim loại nặng 115 gram, gấp gần 100 lần trọng lượng của nó chỉ nhờ vào tác động của từ trường và nhiệt.
Trong một thử nghiệm khác, hai dải cơ được gắn song song hoạt động như cặp tay đòn, có thể nâng tạ 77 gram ở mỗi bên, tái tạo chính xác chuyển động co-duỗi của cơ tay người.
Những màn trình diễn này không chỉ mang tính chất minh họa mà còn chứng tỏ tiềm năng ứng dụng thực tiễn. Khác với các hệ thống cơ nhân tạo truyền thống cần máy nén khí hoặc nguồn điện áp cao, cơ từ tính của UNIST hoạt động độc lập và gọn nhẹ, chỉ cần nguồn nhiệt và từ trường để điều khiển.
Các nhà khoa học nhận định vật liệu này có thể mở ra một kỷ nguyên mới cho robot hình người, thiết bị hỗ trợ y tế và các bộ đồ exosuit. Nhờ khả năng "biến hình" giữa mềm và cứng, nó có thể được ứng dụng để tạo ra những bộ trang phục hỗ trợ vận động cho người khuyết tật hoặc người cao tuổi, giúp họ nâng vật nặng nhưng vẫn linh hoạt khi di chuyển.
Trong lĩnh vực y học, loại cơ này có thể được ứng dụng trong các ống thông phẫu thuật, có khả năng uốn cong theo cơ thể bệnh nhân, sau đó cứng lại để cố định vị trí khi cần thao tác. Trong đời sống dân dụng, các robot gia đình tương lai có thể sử dụng cơ nhân tạo để nhẹ nhàng cầm nắm những vật dễ vỡ như ly thủy tinh hoặc trái cây mà không làm hư hại chúng.
Thách thức và triển vọng
Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn đầu. Việc kiểm soát nhiệt độ để làm mềm và cứng vật liệu vẫn còn chậm và tiêu tốn năng lượng, chưa phù hợp với các robot cần hoạt động liên tục. Thêm vào đó, phạm vi tác động của từ trường cũng gặp hạn chế khi áp dụng cho robot có kích thước lớn hơn.
Nhóm nghiên cứu UNIST cho biết họ đang tiếp tục cải tiến công nghệ bằng cách tìm kiếm những vật liệu polymer có khả năng chuyển trạng thái ở nhiệt độ thấp hơn, đồng thời nghiên cứu các cơ chế gia nhiệt nhanh chóng hơn như sử dụng tia hồng ngoại hoặc dòng điện cảm ứng.
Mặc dù việc có được một robot hình người với "cơ bắp" như thật vẫn còn là một mục tiêu xa vời, nhưng thành tựu này đã đánh dấu một bước tiến quan trọng. Nó không chỉ thu hẹp khoảng cách giữa máy móc và con người mà còn mở ra viễn cảnh tương lai, nơi các robot mềm mại, linh hoạt và thông minh có thể hỗ trợ con người trong các lĩnh vực y tế, sản xuất và cuộc sống hàng ngày.
Cơ bắp nhân tạo của UNIST không thể giải quyết tất cả vấn đề trong robot học, nhưng nó đã trả lời một câu hỏi mà khoa học đã theo đuổi trong nhiều thập kỷ: liệu có thể tạo ra một vật liệu vừa mềm dẻo như da thịt, lại vừa mạnh mẽ như máy móc? Câu trả lời, lần này, là có và nó đang dần trở thành hiện thực trong các phòng thí nghiệm tại Hàn Quốc.
