Buzz
VHO - Lần đầu tiên sau hơn 5.000 năm xuất hiện trong lịch sử cơ khí, câu ngạn ngữ "Đừng phát minh lại bánh xe" dường như không còn hoàn toàn chính xác.
Trong hơn 5.000 năm qua, bánh răng với các răng kim loại ăn khớp chặt chẽ đã đóng vai trò nền tảng cho hầu hết những cỗ máy do con người tạo ra. Từ chiếc xe chỉ hướng Nam của Trung Quốc cổ đại cho đến các dây chuyền công nghiệp hiện đại, bánh răng luôn là giải pháp chủ chốt để truyền chuyển động.
Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại, một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học New York đã giới thiệu một dạng bánh răng hoàn toàn mới, có khả năng khắc phục những giới hạn đã tồn tại suốt hàng nghìn năm.
Khoảng thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, các nhà toán học và kỹ sư Trung Quốc đã sáng tạo ra hệ thống bánh răng vi sai đầu tiên trên thế giới. Công nghệ này được ứng dụng trong một thiết bị cơ khí đặc biệt mang tên "xe chỉ Nam", nơi kim chỉ luôn hướng về phía nam dù cỗ xe di chuyển hay rẽ theo bất kỳ hướng nào.
Vài thế kỷ sau đó, phương Tây cũng trình diễn sự tinh vi của bánh răng thông qua cơ chế Antikythera – một dạng máy tính nguyên thủy mà đến nay các nhà khoa học vẫn đang nỗ lực giải mã.
Dẫu được chế tạo từ những vật liệu bền chắc, bánh răng truyền thống vẫn khó tránh khỏi tình trạng mài mòn, gãy răng, kẹt do bụi bẩn hoặc sai lệch trong quá trình lắp ráp. Những vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng ở các hệ thống phức tạp, nơi chỉ một sai số rất nhỏ cũng đủ khiến toàn bộ cơ cấu ngừng vận hành.
Nhiều nhà khoa học nhận định rằng ngay cả các cỗ máy cơ khí tinh xảo thời cổ đại cũng khó duy trì hoạt động bền bỉ, chủ yếu do sự phụ thuộc gần như tuyệt đối vào độ chính xác của từng răng bánh.
Nhận ra hạn chế cốt lõi này, Jun Zhang cùng các cộng sự Leif Ristroph và nghiên cứu sinh Jesse Etan Smith đã tìm cách phát triển một thiết kế bánh răng ưu việt hơn. Trong công trình đăng trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm đã giới thiệu một loại bánh răng hoàn toàn mới, được họ gọi là "bánh răng chất lỏng."
"Chúng tôi đã phát minh ra những loại bánh răng mới vận hành bằng cách làm quay dòng chất lỏng thay cho các răng ăn khớp," Zhang giải thích. "Qua đó, chúng tôi mở ra khả năng mới để kiểm soát tốc độ quay và thậm chí cả chiều quay." Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng dòng chảy được điều chỉnh chính xác của nước, hoặc thậm chí là không khí, có thể làm quay bánh răng với độ chính xác đủ để thay thế bánh răng truyền thống.
Để kiểm chứng ý tưởng, các nhà khoa học đã đặt các rotor vào dung dịch glycerol–nước, cho phép điều chỉnh linh hoạt độ nhớt. Tương tự như các hệ bánh răng thông thường, một bánh răng được cấp năng lượng trong khi bánh còn lại hoạt động thụ động. Nhóm cũng bổ sung bọt khí vào dung dịch nhằm theo dõi trực quan chuyển động của dòng chất lỏng.
Kết quả thu được thật sự gây bất ngờ. Các dòng chảy sinh ra từ bánh răng chủ động có thể được điều khiển để tác động tinh vi lên bánh răng thứ hai theo nhiều cách khác nhau. Khi các bánh răng đặt gần nhau, dòng chảy hoạt động tương tự răng cơ khí, khiến bánh còn lại quay ngược chiều. Ngược lại, khi khoảng cách tăng lên, dòng chảy suy yếu và hệ thống vận hành giống như một cơ cấu ròng rọc.
"Bánh răng truyền thống buộc phải được chế tạo cực kỳ chính xác để các răng khớp hoàn hảo; chỉ cần một khuyết tật nhỏ, khe hở sai lệch hay chút bụi bẩn cũng đủ làm chúng bị kẹt," Ristroph cho biết. "Bánh răng chất lỏng không gặp phải những vấn đề này, đồng thời cho phép điều chỉnh tốc độ và hướng quay theo những cách mà bánh răng cơ khí không thể đạt được."
Đây chính là bước đột phá quan trọng nhất. Khác với bánh răng kim loại cố định, các cơ chế dựa trên chất lỏng có khả năng tự động điều chỉnh tỷ lệ tốc độ và thậm chí đảo chiều quay khi cần. Chỉ bằng việc thay đổi khoảng cách giữa các rotor hoặc tốc độ dòng chảy, hệ thống có thể chuyển từ quay ngược chiều như bánh răng cổ điển sang quay cùng chiều tương tự cơ chế đai và ròng rọc.
Dù vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, phát minh này cho thấy rằng sau hàng nghìn năm lịch sử, câu nói "Đừng phát minh lại bánh xe" dường như không còn hoàn toàn đúng. Có thể các nhà khoa học chưa thực sự phát minh lại bánh xe, nhưng cách tạo ra và truyền động lực cho mỗi vòng quay đã được tái định nghĩa. Nếu được triển khai rộng rãi, bánh răng chất lỏng hứa hẹn mở ra một kỷ nguyên mới cho cơ khí hiện đại, nơi chuyển động không còn gắn với tiếng kim loại va chạm, mà được dẫn dắt bởi những dòng chảy vô hình nhưng đầy chính xác.
