Các nhà khoa học lấy cảm hứng từ loài tatu, tạo ra công nghệ mới có thể tự "mặc giáp" khi gặp nguy hiểm

Trong nhiều năm qua, robot mềm được xem là một trong những hướng phát triển hứa hẹn nhất của ngành robot học. Không giống các cỗ máy bằng kim loại cứng nhắc, robot mềm có thể uốn cong, co giãn và thích nghi với môi trường phức tạp. Chúng có thể chui qua các khe hẹp, len lỏi trong những đường ống nhỏ hoặc tương tác an toàn với cơ thể con người.

Tuy nhiên, chính ưu điểm lớn nhất ấy lại là điểm yếu khiến các nhà khoa học đau đầu suốt nhiều năm.

Những vật liệu đàn hồi giúp robot mềm linh hoạt thường rất dễ bị tổn thương trước các tác động cơ học. Một vật sắc nhọn, một cú va đập mạnh hay thậm chí một lực ép bất ngờ cũng có thể khiến toàn bộ hệ thống ngừng hoạt động. Điều này trở thành rào cản lớn đối với các ứng dụng thực tế như robot cứu hộ, robot thám hiểm hay các thiết bị điện tử mềm.

Xuất phát từ bài toán đó, nhóm nghiên cứu do giáo sư Zhu Yong tại Đại học Bang Bắc Carolina dẫn dắt đã tìm đến một chuyên gia sinh tồn đặc biệt trong tự nhiên: loài tatu ba đai.

Khác với phần lớn họ hàng của mình, tatu ba đai sở hữu khả năng cuộn toàn bộ cơ thể thành một quả cầu gần như khép kín hoàn toàn khi gặp nguy hiểm. Cơ chế này không đơn thuần là hành động co người lại. Đó là kết quả của sự phối hợp tinh vi giữa lớp giáp ngoài, hệ xương bên trong và các nhóm cơ điều khiển chuyển động.

Chính cơ chế ấy đã trở thành nền tảng cho sự ra đời của hệ thống mang tên Morpho-Interlocking Protective Module, hay MIPM.

Nhìn từ bên ngoài, MIPM giống như một tấm cấu trúc mềm có khả năng uốn cong. Nhưng khi cảm nhận được mối đe dọa từ môi trường, nó có thể tự động biến đổi thành một khối cầu cứng có khả năng bảo vệ những thành phần dễ tổn thương bên trong.

Để hiện thực hóa ý tưởng này, các nhà khoa học xây dựng một cấu trúc gồm ba lớp chức năng.

Lớp ngoài cùng là bộ xương ngoài với các tấm vảy cong được sản xuất bằng công nghệ in 3D. Những tấm vảy này có thể dịch chuyển theo hình dạng bề mặt khi hệ thống thay đổi cấu trúc, tương tự lớp giáp của loài tatu.

Ẩn phía dưới là bộ xương trong với các đoạn liên kết đặc biệt lấy cảm hứng từ cấu trúc cột sống của động vật này. Trong trạng thái bình thường, các đoạn liên kết tách rời nhau để duy trì sự linh hoạt. Khi hệ thống cuộn lại, chúng khóa vào nhau tạo thành một bộ khung cứng chắc giúp tăng đáng kể khả năng chịu lực.

Điểm đặc biệt nhất nằm ở lớp trung gian đóng vai trò như hệ thần kinh và cơ bắp nhân tạo.

Tại đây, nhóm nghiên cứu tích hợp vật liệu đàn hồi tinh thể lỏng có khả năng co lại khi được làm nóng, mạng dây nano bạc đóng vai trò cảm biến biến dạng, lớp màng Kapton tạo chuyển động uốn cong và lớp vải dẫn điện thực hiện nhiệm vụ gia nhiệt.

Khi một lực tác động xuất hiện trên bề mặt, cảm biến sẽ phát hiện sự biến dạng và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển. Dòng điện sau đó được kích hoạt, tạo nhiệt và khiến các lớp vật liệu phản ứng đồng thời. Kết quả là toàn bộ hệ thống bắt đầu cuộn lại.

Trong quá trình này, lớp giáp bên ngoài phủ kín cấu trúc, còn bộ xương trong dần khóa chặt các khớp liên kết. Chỉ trong thời gian ngắn, một cấu trúc mềm mại có thể biến thành một khối bảo vệ cứng chắc.

Các thử nghiệm cho thấy hệ thống có khả năng chống chịu nhiều dạng tác động khác nhau, từ lực va đập cho đến đâm xuyên. Những vật thể dễ vỡ được đặt bên trong vẫn được bảo vệ hiệu quả sau khi MIPM chuyển sang chế độ phòng thủ.

Đáng chú ý, trạng thái bảo vệ này không yêu cầu nguồn năng lượng liên tục để duy trì. Nhờ sự kết hợp giữa các nam châm tích hợp và cơ chế khóa cơ học bên trong, hệ thống có thể giữ nguyên hình dạng cứng trong thời gian dài mà không tiêu tốn điện năng.

Theo nhóm nghiên cứu, đây là một ưu điểm rất quan trọng đối với các robot hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, nơi nguồn điện luôn là tài nguyên hạn chế.

Khi mối nguy hiểm qua đi, vật liệu truyền động dần nguội xuống và phục hồi trạng thái ban đầu. Các khớp khóa tự động tách ra khi độ cong giảm xuống, giúp cấu trúc quay trở lại hình dạng mềm mà không cần bất kỳ cơ cấu mở khóa phức tạp nào.

Bên cạnh chức năng phòng vệ, MIPM còn thể hiện khả năng thực hiện các chuyển động khác như lăn hoặc gắp vật thể. Nhóm nghiên cứu cũng tích hợp kết nối Bluetooth để điều khiển từ xa, mở ra khả năng ứng dụng trong những môi trường mà con người khó tiếp cận.

Theo các nhà khoa học, giá trị lớn nhất của công trình không nằm ở một loại vật liệu cụ thể mà ở nguyên lý thiết kế. Dù phiên bản hiện tại sử dụng vật liệu đàn hồi tinh thể lỏng, hệ thống vẫn có thể được kết hợp với nhiều công nghệ truyền động khác như khí nén, hợp kim nhớ hình hay cơ cấu từ tính.

Điều đó đồng nghĩa với việc ý tưởng "mềm khi cần mềm, cứng khi cần cứng" có thể được áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau.

Trong tương lai gần, robot cứu hộ và robot thám hiểm được xem là những ứng dụng tiềm năng nhất. Những cỗ máy này cần đủ linh hoạt để luồn lách qua đống đổ nát hoặc các khe hẹp, nhưng đồng thời cũng phải bảo vệ được cảm biến, pin và hệ thống liên lạc trước các mối nguy hiểm bất ngờ.

Xa hơn nữa, công nghệ này có thể xuất hiện trong các thiết bị y tế mềm có khả năng di chuyển trong cơ thể người, hoặc các hệ thống không gian cần vừa nhẹ, linh hoạt vừa đủ bền để hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt.

Từ khả năng cuộn tròn tưởng chừng đơn giản của một loài động vật nhỏ bé, các nhà khoa học đã mở ra một hướng tiếp cận hoàn toàn mới cho robot mềm. Thay vì chấp nhận đánh đổi giữa tính linh hoạt và khả năng bảo vệ, họ đang chứng minh rằng một cỗ máy hoàn toàn có thể sở hữu cả hai đặc tính cùng lúc, miễn là biết học hỏi đúng cách từ tự nhiên.