Tạo cơ bắp cho robot dựa trên hoạt động cây dưa chuột

Trong tự nhiên, một cây dưa chuột sẽ sử dụng các gân cuốn chặt để kéo thân cây lên, nhằm đảm bảo nguồn ánh sáng hấp thụ.

Hiện nay các nhàkhoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts cũng đã có thể tái tạo quá trình này, từ đó tạo ra các sợi cơ bắp nhân tạo chorobot, chân tay giả, cũng như một số ứng dụng cơ khí và y sinh khác.

Cơ bắp nhân tạo sử dụng sợi co thắt mạnh có thể đưa ngành robotics và phục hình lên một tầm cao mới. Ảnh: Felice Frankel.

Hiện tại đã tồn tại rất nhiều phương thức tạo ra cơ bắp nhân tạo khác nhau, bao gồm các hệ thống thủy lực, động cơ servo, siêu hợp kim “nhớ hình dạng”, và các polymer có phản ứng trước kích thích.

Tuy nhiên, tất cả những phương thức này đều có các hạn chế nhất định về trọng lượng cũng như tốc độ phản ứng. Theo các nhà nghiên cứu, những hạn chế này đều đã được loại bỏ trên hệ thống sợi mới vô cùng nhẹ, với tốc độ phản ứng nhanh. Nghiên cứu này mới đây đã chính thức được xuất bản trên tạp chí khoa học.

Những sợi mới này được phát triển bởi Tiến sĩ MIT, ông Mehmet Kanik, cùng với Thạc sĩ Sirma Örgüç, cũng như các Giáo sư Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, và C. Cem Taşan.

Đội ngũ cũng bao gồm Thạc sĩ MIT Georgios Varnavides, Tiến sĩ Jinwoo Kim, và các sinh viên Thomas Benavides, Dani Gonzalez, Timothy Akintlio. Cụ thể, trong phương thức mới này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật rút sợi để kết hợp 2 polyme riêng biệt thành một sợi duy nhất.

Nguồn: Các nhà nghiên cứu tại MIT

Mấu chốt của quá trình này nằm ở việc kết hợp 2 nguyên liệu với độ giãn nở nhiệt chênh lệch với nhau. Đây cũng là nguyên lý được sử dụng trong nhiệt kế: sử dụng 1 thanh ghép 2 kim loại để đo nhiệt độ, trong đó, phần nở nhanh sẽ bị làm chững lại bởi kim loại còn lại, đổ về hướng có kim loại giãn nở ít hơn.

Tương tự, bằng việc sử dụng 2 polyme với độ giãn nở nhiệt khác nhau – 1 polyme giãn nở nhanh trong khi một polyme cho ít phản ứng, Kanik, Örgüç, cũng các đồng nghiệp đã thành công tạo ra một loại sợi có thể luôn co về trạng thái cũ, kể cả sau khi bị kéo dãn và căng gấp vài lần.

Ngạc nhiên tới từ cơ bắp nhân tạo

Sự ngạc nhiên lại tiếp tục khi các nhà nghiên cứu được trải nghiệm loại sợ này lần đầu tiên. Anikeeva  kể lại: “Chúng tôi đã đạt được khá nhiều may mắn trong quá trình này.”

Trong lần đầu tiên chạm vào loại sợi trên, Kanik đã nhận ra rằng, sợi này co lại chỉ với nhiệt độ bàn tay của mình, và chỉ những thay đổi nhiệt độ nhỏ nhất cũng có thể tạo ra một lực kéo mạnh đến bất ngờ. Sau đó, khi nhiệt độ qua trở lại như ban đầu, sợi lại quay về độ dài ban đầu.

Sau khi thử nghiệm, đội ngũ nghiên cứu đã kết luận rằng, quá trình co và giãn của sợi có thể lặp lại tới 10.000, và con số này vẫn còn tăng một cách nhanh chóng.

Theo Anikeeva, một lý do phía sau số lần co giãn khả dụng vô cùng cao này là “mọi thứ đều hoạt động trong các điều kiện khá cân đối”, trong đó bao gồm các mức nhiệt kích thích thấp: chỉ 1 độ C đã có thể bắt đầu quá trình co giãn.

Được biết, sợi này có nhiều mức co giãn khác nhau, từ chỉ vài micromet, cho tới vài milimet về chiều rộng, và có thể được sản xuất theo các lô dài tới hàng trăm mét.

Trong đó, chỉ một sợi đã có thể nâng một trọng lượng gấp tới 650 lần trọng lượng dây. Để thực hiện thử nghiệm trên từng sợi, Örgüç và Kanik đã phát triển ra các điều kiện thí nghiệm thu nhỏ chuyên biệt.

Ngoài ra, cường độ giãn nở nhiệt cũng có thể được “lập trình” trước thông qua mức kéo giãn ban đầu. Điều này cho phép tùy chỉnh chất liệu theo đúng lượng lực cần, cũng như thay đổi nhiệt cần thiết để kích thích ra lực.

Các sợi nêu trên được sản xuất thông qua một hệ thống rút sợi, cho phép tích hợp các thành phần khác vào trong sợi. Cụ thể, đây là quá trình tạo ra một phiên bản quá cỡ của chất liệu, gọi là một preform, sau đó nung nóng tới một nhiệt độ nhất định để chất liệu trở nên nhầy và dính.

Chất liệu này rồi sẽ được kéo thành các sợi nhỏ, vẫn duy trì được cấu trúc của sợi gốc, nhưng lại mảnh hơn rất nhiều.

Trong quá trình thử nghiệm, các sợi này được bao phủ bởi các dây nano dẫn điện với khả năng cảm ứng được các sức ép tác động lên sợi, hoặc được sợi tác động ra bên ngoài.

Trong tương lai, các sợi này cũng có thể được tích hợp thêm các yếu tố nhiệt cho phép làm nóng từ bên trong, thay vì phải sử dụng các kích thích nhiệt từ bên ngoài.

Ứng dụng tiềm năng

Các cơ bắp nhân tạo sử dụng loại sợi trên có thể được sử dụng như một cơ chế khởi động cho các chi hoặc bộ gắp của robot, khai thác tối ưu lợi ích từ khối lượng thấp và thời gian phản hồi nhanh.

Hiện nay, các chi giả có thể nặng tới 13 kg, với phần lớn tới từ cơ chế khởi động (thường ứng dụng khí nén hoặc động cơ thủy lực). Chính vì vậy, với những sợi này, các chi giả có thể được làm nhẹ hơn rất nhiều, giúp cải thiện đời sống của những người khuyết tật cần sử dụng chi giả.

“Ngoài ra, các sợi này cũng có thể được ứng dụng trong các thiết bị y sinh. Cụ thể, một robot y tế có thể được khởi động sau khi đã vào trong động mạch,” Anikeeva bày tỏ. “Thời gian kích hoạt của các sợi cũng có thể đi từ vài mili giây cho tới vài chục giây, tùy thuộc vào thể tích dây.”

Để có thể nâng các khối lượng cao, ta cũng có thể sử dụng các bó dây tương đương những bó cơ trong cơ thể. Cụ thể, đội ngũ nghiên cứu đã thử nghiệm thành công các bó 100 sợi.

Ngoài ra, các bộ cảm ứng được tích hợp qua quá trình kéo sợi cũng sẽ giúp gửi phản hồi về các điều kiện thực tế, đặc biệt hữu ích trong ứng dụng làm chi giả. Ngoài ra, theo Örgüç, các bó sợi cũng có thể được ứng dụng trong các hệ thông robotic, vượt qua các yêu cầu về tính tự động hóa, kiểm soát, và tính chính xác của các hệ thống này.

Còn Kanik lại khẳng định rằng, tiềm năng sử dụng của chất liệu này là vô tận, bởi lẽ, mọi kết hợp giữa 2 nguyên liệu chênh lệch về độ giãn nở nhiệt đều có thể được ứng dụng, từ đó mở ra vô vàn kết hợp chưa được khám phá. Theo ông, đây chỉ là bước đầu tiên trong hành trình khám phá những khả năng xa hơn.

“Sức mạnh của công trình này nằm ở sự đơn giản của nó,” ông chia sẻ. Công trình này nhận được sự hỗ trợ của Viện nghiên cứu Quốc gia về những rối loạn hệ thần kinh và đột quỵ, cùng với Quỹ khoa học Quốc gia.