TS. Phan Hoàng Vũ cùng các nhà nghiên cứu ở Viện Công nghệ liên bang Thụy Sĩ ở Lausanne (EPFL) và Đại học Konkuk (Hàn Quốc) vừa xuất bản một bài báo khoa học trên tạp chí Nature về cơ chế gập và mở cánh của bọ cánh cứng, truyền cảm hứng thiết kế cho robot côn trùng nhỏ.

hoạt nhìn, con côn trùng máy này có vẻ hơi đơn giản, chỉ vỗ cánh bay lên rồi hạ xuống trong chưa đầy một phút. Tuy nhiên, chỉ những người trong nghề như anh mới hiểu rằng đây là một bước tiến lớn trong lĩnh vực robot, góp phần mở đường cho những robot bay (có cánh vỗ) ổn định hơn, phù hợp trong những môi trường chật hẹp hoặc địa hình nhiều vật cản - chẳng hạn ứng dụng trong hoạt động tìm kiếm cứu nạn, giám sát môi trường, nông nghiệp hoặc quân sự…

Cơ chế ẩn sau đôi cánh côn trùng

“Đây là robot cánh vỗ đầu tiên có thể dễ dàng gập và triển khai cánh của chúng như côn trùng”, TS. Phan Hoàng Vũ giải thích với KH&PT. Điều bất ngờ là một công trình xuất sắc như vậy lại bắt đầu từ một ý tưởng có vẻ rất đơn giản và liên quan đến lĩnh vực sinh học hơn là robot: côn trùng bay như thế nào, cụ thể là loài bọ cánh cứng sừng chữ Y (Allomyrina dichotoma) - một loại bọ cánh cứng phổ biến ở nhiều nước châu Á, bao gồm Việt Nam.

Hóa ra, khả năng bay linh hoạt của côn trùng là điều mà các nhà thiết kế phương tiện bay, bao gồm robot bay, luôn mơ ước. “Côn trùng bay là loài động vật biết bay phổ biến của tự nhiên, bên cạnh chim và dơi. Chúng có khả năng bay rất linh hoạt mà chưa có thiết bị bay nào có thể đạt được”, TS. Phan Hoàng Vũ giải thích. “Đặc biệt là kích thước nhỏ cho phép chúng có thể bay vào những nơi nhỏ hẹp. Không những vậy, hiệu suất bay của côn trùng cũng rất cao so với các thiết bị bay hiện có. Ngoài bay, côn trùng còn có khả năng di chuyển đa năng, có thể đậu và bò trên nhiều địa hình khác nhau. Với những ưu điểm như thế, chúng luôn là nguồn cảm hứng để cải tiến thiết kế phương tiện bay không người lái”.

“Vỗ cánh + bay lên” là “công thức bay” chung của hầu hết các loại côn trùng có cánh biết bay. Tuy nhiên, mỗi loài sẽ có phương pháp “khởi động” riêng. Chẳng hạn như các loài bọ cánh cứng được chia làm hai loại: mở cánh hoàn toàn trước khi vỗ (ví dụ như loài bọ rùa Coccinella septempunctata) và vỗ trước khi mở cánh (ví dụ bọ cánh cứng Dorcus titanus platymelus). Loài bọ cánh cứng sừng chữ Y trong nghiên cứu này được xếp vào kiểu mở cánh thứ hai. Trước khi cất cánh, chúng sẽ mở rộng hoàn toàn cánh cứng phía ngoài, đồng thời mở một phần cánh sau ở chỗ gần gốc cánh. Sau đó, chúng bắt đầu vỗ cánh, nâng cao gốc cánh sau và dần mở rộng phần còn lại, từ giữa sải cánh cho đến đầu cánh. Việc quan sát quá trình đóng mở cánh nhịp nhàng tựa như một chiếc quạt xếp của những con côn trùng là một trong những trò chơi gắn liền với tuổi thơ của TS. Phan Hoàng Vũ.

Dưới con mắt tuổi thơ hay góc nhìn của một nhà nghiên cứu, đôi cánh côn trùng vẫn chứa đầy những bí ẩn thú vị. Hầu hết các nghiên cứu trước đây cho rằng bọ sừng chữ Y, cũng giống như hầu hết các loại côn trùng, đã sử dụng cơ ngực để mở và gập cánh. Điều này đúng với lớp cánh cứng phía trước. Nhưng với đôi cánh mỏng phía sau, nếu sử dụng cơ ngực, tại sao bọ sừng chữ Y không trực tiếp mở rộng cánh bay đi - công đoạn tốn chưa đầy một giây, mà lại cần đến quy trình phức tạp như vậy? Sự hoài nghi ngày càng lớn khi “các phương pháp theo dõi hoạt động của cơ vẫn không thể xác định được bọ cánh cứng sử dụng cơ nào để triển khai và gập cánh sau, cũng như không giải thích được cách chúng thực hiện điều đó”, TS. Phan Hoàng Vũ trả lời trên Tech Xplore.

Cách giải thích hợp lý nhất là bọ sừng chữ Y đã sử dụng một cơ chế hoàn toàn khác. Bằng cách phân tích những hình ảnh về quá trình bay của bọ sừng chữ Y từ máy ảnh tốc độ cao, các nhà nghiên cứu nhận thấy, rất có thể chúng đã sử dụng cơ chế thụ động trong bước mở - gập cánh sau. “Bọ cánh cứng sừng chữ Y có thể dễ dàng và thụ động tận dụng lực ly tâm, thông qua động tác vỗ cánh, để triển khai cánh của chúng để bay, cũng như gập lại dọc thân khi kết thúc chuyến bay mà không cần hoạt động của cơ bắp, giúp chúng tiết kiệm năng lượng”, TS. Phan Hoàng Vũ giải thích.

Trước đây, cơ chế đóng mở cánh của bọ sừng chữ Y không thu hút nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Đôi cánh sau mỏng manh, có thể gấp gọn, ẩn dưới lớp cánh cứng phía trước mới là điểm nhấn của loài bọ này. Khác với các loài côn trùng khác như ong, ve sầu, ruồi, muỗi có thể gập cánh tại một khớp ở gốc cánh, bọ cánh cứng gập cánh sau tại hai khớp, một ở gốc cánh và một ở giữa sải cánh (khớp biên). Vì vậy, đôi cánh sau của bọ cánh cứng có cấu trúc dạng origami - với cơ chế uốn gấp tương tự nghệ thuật gấp giấy Nhật Bản. “Cơ chế gấp cánh ở khớp biên là dạng origami rất phức tạp. Do đó, nó nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu từ trước đến nay”, TS. Phan Hoàng Vũ cho biết. “Nhưng đa phần các nghiên cứu chỉ tập trung vào công dụng của cơ chế gấp ở khớp biên khi con bọ không ở trạng thái bay, và cho rằng cơ chế gấp gọn cánh chỉ có một mục đích là giúp con bọ thu gọn cánh sau của chúng vào giữa thân và cánh cứng trước để bảo vệ”.

Sự quan sát tỉ mỉ đã giúp các nhà nghiên cứu phát hiện ra nét độc đáo hơn thế. Trong nghiên cứu được xuất bản trên Science năm 2020, TS. Phan Hoàng Vũ và các cộng sự thấy rằng cơ chế gấp cánh ở khớp biên còn có tác dụng hấp thụ lực, giúp bọ cánh cứng giảm tác động của va đập trong khi bay. “Lực quán tính và khí động học trong khi vỗ cánh, chứ không phải cơ ngực, giúp cánh sau duy trì trạng thái mở rộng hoàn toàn trong khi bay. Do đó, khi cánh va chạm với một vật thể, lực va chạm sẽ làm cánh sập lại theo các nếp gấp và gần như ngay lập tức bật trở lại vị trí ban đầu khi không còn va chạm, mà không cần hoạt động của cơ”, anh cho biết. Đây là lý do tại sao trong thực tế, chẳng may bị va đập khi đang bay, bọ cánh cứng thường nhanh chóng phục hồi, trở lại trạng thái bay ổn định chứ không bị bổ nhào xuống.

Đột phá trong thiết kế

Cơ chế vận động của côn trùng gợi mở rất nhiều suy nghĩ của TS. Phan Hoàng Vũ. Nếu sao chép được cơ chế cánh sau của bọ sừng chữ Y sang robot, chúng ta sẽ đến gần hơn với những robot bay linh hoạt, gọn nhẹ và giống côn trùng hơn trong thực tế. “Bằng cách ứng dụng kết quả ở bọ cánh cứng lên robot, chúng ta có thể một mặt xác thực lại việc triển khai và gập cánh thụ động chỉ cần động tác vỗ cánh, mặt khác, có thể giúp cải tiến thiết kế của robot vỗ cánh ngày càng giống côn trùng”, TS. Phan Hoàng Vũ nói. Cụ thể, “việc triển khai và gập lại cánh thụ động không cần bộ truyền động giúp robot có thể bảo vệ được đôi cánh của nó, vốn có dạng màng mỏng và rất dễ bị hư hại khi bị va đập. Việc gập cánh lại khi không ở trạng thái bay, giống như nhiều loại côn trùng, cũng giúp robot trở nên gọn gàng hơn, cho phép chúng di chuyển linh hoạt hơn khi bò trên mặt đất trong môi trường chật hẹp. Nhờ đó, robot vỗ cánh có thể ứng dụng trong các hoạt động tìm kiếm cứu nạn. Ví dụ, nó có thể được triển khai vào một tòa nhà bị sập, nơi con người không thể tiếp cận”.

Tuy nhiên, bắt chước tự nhiên chưa bao giờ là điều dễ dàng. “Việc chế tạo những robot vỗ cánh với kích thước (sải cánh dưới 10 cm) và khối lượng (dưới 1 gram) nhỏ như côn trùng, ví dụ như ong, ruồi, hay ve sầu, mặc dù đã có những bước tiến đáng kể, nhưng vẫn còn gặp rất nhiều thách thức”, anh phân tích. “Với kích thước nhỏ, các bộ truyền động trục quay phổ biến (DC motors) không thể sử dụng để tạo chuyển động vỗ cánh hiệu quả, vì hiệu suất của chúng giảm đi đáng kể khi kích thước giảm và khó chế tạo được các động cơ nhỏ như thế. Do đó, đa số các robot hiện nay sử dụng các bộ truyền động thông minh, cần điện áp đầu vào rất cao, nên phải cung cấp từ nguồn năng lượng ngoài. Thứ hai, chúng ta vẫn chưa tạo được loại pin nào có mật độ năng lượng cao với khối lượng đủ nhẹ để tích hợp và cung cấp đủ năng lượng cho robot cánh vỗ nhỏ bay được. Thứ ba, để duy trì bay ổn định, robot cánh vỗ không có đuôi giống côn trùng cũng cần tích hợp một cơ chế điều khiển trạng thái tự động, khiến robot trở nên phức tạp và nặng hơn, do đó lại cần robot đập cánh nhanh hơn để tạo đủ lực nâng để bay lên. Do vậy, các robot vỗ cánh siêu nhỏ như côn trùng đến giờ vẫn cần nguồn năng lượng và bộ điều khiển ngoài kết nối với robot qua các sợi dây để bay”.

Những đặc tính tự nhiên của bọ sừng chữ Y đã giảm bớt một phần độ khó của bài toán. Bọ sừng chữ Y là một trong những loài côn trùng bay lớn nhất trên Trái đất với khối lượng cơ thể có thể đến 10 gram và sải cánh khoảng 11-13 cm. Với kích thước này, các nhà nghiên cứu có thể chế tạo robot sử dụng các bộ truyền động, pin cũng như các vật liệu có sẵn trên thị trường. Nhưng để robot bay được như một con côn trùng thực thụ, vẫn còn những rào cản kỹ thuật cần tháo gỡ, tiêu biểu là vấn đề ổn định lực khí động (chuyển động của không khí xung quanh một vật thể). Hiện nay, rất ít robot cánh vỗ mô phỏng côn trùng kích thước nhỏ có thể bay được ổn định. Nguyên nhân bắt nguồn từ kiểu bay cánh vỗ. “Vỗ cánh là quá trình chuyển động không đều của cánh trong một chu kỳ. Khi có cơ chế gập cánh thụ động, lực khí động học không ổn định cố hữu trong lý thuyết đập cánh làm cánh có xu hướng dao động lên xuống trong quá trình đập. Điều này làm cho lực khí động càng bất ổn định, gây khó khăn cho việc điều khiển bay”, anh giải thích. Do vậy, TS. Phan Hoàng Vũ phải thiết kế cơ chế gập cánh thụ động trên robot sao cho không ảnh hưởng đến lực khí động trong lúc vỗ cánh. “Điều này rất quan trọng vì nếu không, robot sẽ không sinh ra đủ lực nâng để bay”, anh nói.

Việc bóc tách những cơ chế ẩn sau đôi cánh côn trùng đã giúp nhóm nghiên cứu tìm ra thiết kế tối ưu để đảm bảo tính ổn định. “Điểm mấu chốt là giữ cho cánh luôn đập trên một mặt phẳng. Mặc dù có nhiều yếu tố tác động khác nhau, chúng tôi nhận thấy việc di chuyển trọng tâm của cánh lên cùng mặt phẳng đập với khớp thụ động sẽ làm giảm sự dao động này, qua đó giúp cánh tạo ra lực khí động ổn định hơn để duy trì việc bay ổn định”, TS. Phan Hoàng Vũ cho biết. Anh đã kết hợp những bí quyết này vào mẫu robot mô phỏng bọ sừng chữ Y, có đôi cánh trong suốt được làm bằng vật liệu carbon nhẹ và màng co giãn, có thể mở ra và gập vào. Kết quả thử nghiệm cho thấy con robot có thể thực hiện một chuyến bay thành công với cơ chế cánh tương tự bọ sừng chữ Y.

Các nhà nghiên cứu đã giải quyết những nhiệm vụ phức tạp một cách gọn gàng. Với bài toán đa ngành như thiết kế robot côn trùng, người ta thường nghĩ đến một nhóm các nhà nghiên cứu đến từ nhiều lĩnh vực tương ứng, từ sinh vật học hành vi cho đến cơ khí chế tạo, khí động lực học và robot. Tuy nhiên, đội ngũ đằng sau nghiên cứu này rất “tinh gọn”: ngoài TS. Phan Hoàng Vũ, chỉ có giáo sư hướng dẫn của anh khi còn làm thạc sĩ và tiến sĩ ở Hàn Quốc là GS. Hoon Cheol Park ở Đại học Konkuk, và GS. Dario Floreano hiện tại ở Thụy Sĩ. Trong đó, “chủ lực” là TS. Phan Hoàng Vũ - chịu trách nhiệm từ khâu lên ý tưởng, thiết kế nghiên cứu và thí nghiệm, mô phỏng, thực hành các thí nghiệm trên bọ cánh cứng cũng như chế tạo robot, phân tích và xử lý kết quả, cuối cùng là viết bài. Các giáo sư hướng dẫn của anh chủ yếu tham gia vào quá trình thảo luận, chỉnh sửa bài báo và tài trợ.

Việc nhìn sâu vào thế giới côn trùng để suy ngẫm tìm hiểu bí mật của nó không chỉ đem lại cho anh và cộng sự những ý tưởng thiết kế đột phá mà còn cả những bài báo đỉnh cao. Đó là lý do nghiên cứu về robot côn trùng của TS. Phan Hoàng Vũ và các cộng sự được đăng tải trên Science và Nature - những tạp chí khoa học hàng đầu thế giới, mỗi năm nhận được hơn 10 nghìn bài gửi đến nhưng chỉ chưa đầy 10% trong số đó vượt qua vòng bình duyệt và được công bố. Các công trình được xuất bản trên hai tạp chí này phải đạt trình độ nghiên cứu xuất sắc, không chỉ có ý nghĩa lớn với các lĩnh vực liên quan mà còn cả xã hội. “Để được Nature và Science chấp nhận, ý tưởng là cực kỳ quan trọng - phải có tính mới lạ và có ý nghĩa”, TS. Phan Hoàng Vũ nói.

Trong tương lai không xa, liệu chúng ta có thể dùng những robot này để thực hiện các nhiệm vụ thực tế? Còn rất nhiều việc cần làm để đạt được mục tiêu này. Theo TS. Phan Hoàng Vũ, “dù con robot hiện tại có thể duy trì bay ổn định nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Vì thế, chúng tôi đang hướng tới cải thiện khả năng bay nhanh nhẹn hơn, giống côn trùng hơn. Những phát hiện từ nghiên cứu này cũng là tiền đề cho các nghiên cứu trong tương lai để khám phá xem các loài côn trùng khác, có sử dụng các chiến lược thụ động tương tự như bọ cánh cứng hay không. Chúng tôi cũng đặt mục tiêu cải thiện các khả năng di chuyển trên mặt đất, như đậu và bò, tương tự như cách các côn trùng di chuyển”.