Cơ bắp robot có thể nhấc một trọng lượng gấp 1.000 lần bản thân nó - Ảnh: TheVerge

Cho đến nay, vấn đề khó khăn nhất mà các nhà khoa học phải đối mặt là thiết kế và tìm loại vật liệu thích hợp để chế tạo nên một loại robot linh hoạt, mềm dẻo có thể bắt chước được những cử động uyển chuyển như con người. 

Các loại robot hiện có vẫn mang bộ điệu cứng nhắc, cử động giật cục rất thiếu tự nhiên.

Một số mẫu robot "mềm" đã được đưa ra thử nghiệm nhưng đều không thành công. Lý do là các vật liệu chế tạo đều không đủ độ bền và có sức chịu lực như các vật liệu truyền thống, nên khả năng ứng dụng vào thực tế là rất thấp.

Mạnh gấp 1.000 lần trọng lượng chính nó

Giờ đây, bài toán nan giải này đã được giải quyết. Các nhà nghiên cứu ở Viện Wyss thuộc Đại học Harvard hợp tác với Phòng nghiên cứu Trí thông minh nhân tạo CSAIL của Viện Kỹ thuật Massachusetts (MIT), Hoa Kỳ, đã chế tạo được loại robot đúng như mong ước bấy lâu.

Thiết kế đột phá này của các khoa học gia lấy cảm hứng từ một môn nghệ thuật tưởng chừng chẳng liên quan gì đến robot: môn xếp giấy Origami, một phát minh của người Nhật. Nhờ thế, họ tạo nên mẫu cơ bắp robot "mềm" có sức mạnh gấp 1.000 lần trọng lượng bản thân khối cơ.

Thoạt tiên, họ cũng không ngờ mình đã đạt được một thành quả tốt đến thế. Họ chỉ nghĩ rằng khối cơ bắp mới này sẽ mạnh hơn của các loại robot "mềm" trước đây, nhưng không ngờ rằng nó lại có sức mạnh đến thế.

Trên phương diện kỹ thuật, việc thiết kế bộ dẫn động (actuator) của robot có kết cấu giống như cơ bắp thật của con người là khó khăn lớn nhất. Giờ đây, với thành công này, các khoa học gia có thể chế tạo những bộ dẫn động có các thuộc tính tương đương với các cơ bắp thật. Nhờ thế, có thể chế tạo các loại robot đáp ứng được bất kỳ yêu cầu tác vụ nào.

Kết cấu hình học của bộ khung quyết định chuyển động của cơ bắp robot - Ảnh: Wyss

Các cơ bắp robot này bao gồm bên ngoài là một lớp "da" làm bằng bao plastic hay sợi dệt bao phủ lên một bộ khung có thể làm bằng nhiều loại vật liệu khác nhau, như cuộn kim loại hay nhựa plastic được gấp xếp theo một mô thức nhất định, tương tự như kiểu xếp giấy Origami. 

Sau đó, không khí hoặc chất lỏng được bơm vào bao. Để điều khiển cơ bắp này, người ta rút không khí/chất lỏng ra để tạo chân không làm lớp da co rút lại, hoặc bơm trở vào để làm nó trương nở, tạo áp lực lên bộ khung làm nó chuyển động. 

Điểm độc đáo nhất là các chuyển động cơ bắp này không cần đến nguồn năng lượng hay sự điều khiển của con người, mà tùy thuộc vào hình dạng và cấu tạo của bộ khung.

Điều chủ yếu là người ta có thể lập trình cho các cơ bắp này hoạt động theo ý muốn, nhờ vào việc thay đổi mô thức "xếp" vật liệu bên trong khung. Nhờ có kết cấu gọn nhẹ và đơn giản, chúng rất phù hợp cho những hoạt động lưu động hay dùng cho những thiết bị loại mang đeo trên người.

Loại cơ bắp nhân tạo này cũng mang một dạng "trí thông minh" nhất định, bằng việc xếp cuộn kim loại hay plastic theo một mô thức nào đó nhằm tạo sự chuyển động theo ý muốn, nó tương tự một thuật toán hướng dẫn hoạt động của robot truyền thống. 

Người ta chỉ cần đóng/mở một cái công tắc đơn giản để bơm/hút không khí hay chất lỏng, cơ bắp robot sẽ tự thực hiện được nhiều loại hình thao tác khác nhau.

Tiềm năng ứng dụng vô tận

Mô hình tấm thu năng lượng mặt trời, xếp gọn lại khi phóng lên, và bung ra khi ra ngoài không gian - Ảnh: Journal of Mechanical Design

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo ra hàng tá mẫu cơ bắp bằng nhiều loại vật liệu khác nhau, từ lò xo kim loại, mút xốp dùng trong bao bì hay những tấm plastic và các loại khung có hình dáng khác nhau.

Có loại cơ bắp có thể thu nhỏ lại chỉ còn bằng 10% kích cỡ ban đầu, chúng còn có thể thực hiện những cử động nhẹ nhàng và tinh tế như hái một đóa hoa mà không làm nó gãy rụng.

Loại cơ bắp robot này có sức chịu đựng sự biến dạng rất cao: với cùng một diện tích bề mặt cơ, chúng tạo ra một lực mạnh hơn gấp 6 lần so với cơ bắp loài động vật hữu nhũ. Một ưu thế lớn nữa là chúng rất nhẹ nhưng cực mạnh: một mẫu cơ nặng 2,6 gam có thể nhấc nổi một trọng lượng 3kg. 

Chúng có thể được chế tạo theo nhiều kích thước lớn, nhỏ khác nhau, từ vài mm cho đến 1m. Nhờ đó, có khả năng ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực, như chế tạo các dụng cụ dùng trong vi phẫu thuật, bộ khung máy trợ lực cho người, những kiến trúc có thể thay đổi hình dạng.

Với mọi ngành công nghiệp, chi phí thấp và thời gian sản xuất ngắn là các điều kiện tiên quyết, loại cơ bắp robot này đáp ứng được điều đó: chi phí vật liệu để chế tạo một cơ bắp loại này chỉ chưa đầy 1 USD và mất có 10 phút.

Chúng còn đáp ứng được một tiêu chí quan trọng trong sản xuất: an toàn. Do chúng được điều khiển bằng việc hút chân không nên rất hiếm khi bị gãy vỡ, hỏng hóc đột ngột, rất phù hợp để tích hợp chúng vào những loại thiết bị mang đeo trên thân thể người, chế tạo cánh tay máy dùng trong thám hiểm và xây dựng dưới biển sâu, cũng như những loại kết cấu có kích thước lớn tự triển khai trong thám hiểm không gian.

Nhóm nghiên cứu cũng nghiên cứu chế tạo cơ bắp dùng loại vật liệu polyme PVA tan được trong nước, điều này mở ra triển vọng chế tạo những robot có thể hoạt động ngoài thiên nhiên mà không gây ô nhiễm môi trường. 

Trong lĩnh vực y khoa, phẫu thuật xâm lấn sẽ ít gây thương tổn hơn nhờ vào các loại robot thu nhỏ, ví dụ như loại khung lưới nong động mạch (stent) cực nhỏ, khi vào đến đúng vị trí trong cơ thể nó sẽ tự bung ra. 

Trong thương mại, giá hàng hóa sẽ rẻ hơn nhờ vào các loại hàng sẽ được "gấp" lại khi lưu chứa trong kho hay dưới hầm tàu, giúp tiết kiệm chi phí lưu kho, vận chuyển...

Công trình nghiên cứu này vừa được công bố trên chuyên san khoa học Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

NASA cũng lấy ý tưởng từ Origami

Mẫu thử nghiệm xếp tấm thu năng lượng mặt trời lấy ý tưởng từ Origami - Ảnh: NASA

Từ lâu nay, Cơ quan Hàng không-Không gian Hoa Kỳ (NASA) đã gặp một vấn đề nan giải khi chế tạo một tấm khiên chắn phóng xạ không gian cho các phi hành gia trong chuyến bay dài ngày lên Sao Hỏa trong tương lai. Vấn đề là ở kích thước tấm khiên quá lớn đến 25m, nên không thể phóng phi thuyền mang nó lên không gian.

Nhờ sự giúp đỡ của các chuyên gia xếp giấy nghệ thuật Origami, họ đã thành công trong việc "xếp" tấm khiên mô hình (bằng giấy bìa) thu nhỏ lại chỉ còn 2,7m.

Đây mới chỉ là bước đầu, NASA vẫn còn gặp nhiều khó khăn trong việc chế tạo một loại vật liệu có thể gấp lại mà không làm hỏng các thuộc tính chống phóng xạ của nó.

NASA đang mở một cuộc thi tìm ý tưởng và phương án xếp gấp các kết cấu có kích thước lớn như tấm thu năng lượng mặt trời, khiên chắn phóng xạ để khi vào không gian chúng sẽ tự bung ra mà không cần dùng máy móc.

Họ cũng đang nghiên cứu chế tạo một dạng nhà ở tiền chế có thể xếp gấp lại dành cho các phi hành gia khi phải lưu trú dài ngày trên Sao Hỏa.

Những mẫu xếp giấy nghệ thuật Origami được chia sẻ trên mạng: