Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Hàng không vũ trụ , các nhà nghiên cứu hàng không vũ trụ Xin Shan và Onur Bilgen mô tả một loại máy bay không người lái hình chim " trạng thái rắn ", thường được gọi là máy bay cánh vỗ (ornithopter), có đôi cánh linh hoạt vỗ và xoay mà không cần động cơ, bánh răng hoặc các khớp nối cơ khí. Thay vào đó, hệ thống này dựa vào hiệu ứng áp điện, các vật liệu đặc biệt thay đổi hình dạng khi có điện áp tác dụng.

Giáo sư Onur Bilgen (ở giữa) đang làm việc với các sinh viên kỹ thuật của Đại học Rutgers về các nguyên mẫu robot hình chim được cung cấp năng lượng bởi các vật liệu thông minh điều khiển bằng điện áp. (Từ trái sang) Các nghiên cứu sinh Ayhan Ozel, Dario Gosevski, Bezawit Gebre và Batuhan Yildirim trưng bày các mô hình chuẩn bị cho các thử nghiệm trong đường hầm gió. Ảnh: Phòng thí nghiệm Bilgen

"Chúng tôi cấp điện cho các vật liệu áp điện, và chúng sẽ di chuyển bề mặt trực tiếp, không cần thêm khớp nối, liên kết hay động cơ nào khác," Bilgen, phó giáo sư tại Khoa Cơ khí và Kỹ thuật Hàng không vũ trụ thuộc Trường Kỹ thuật Rutgers, cho biết.

"Cánh máy bay là một vật liệu tổng hợp bao gồm một lớp vật liệu áp điện và một lớp sợi carbon. Khi cấp điện áp vào lớp áp điện, toàn bộ vật liệu tổng hợp sẽ uốn cong."

Với thiết kế giống chim, máy bay cánh vỗ mang lại sự linh hoạt cao, khiến chúng rất phù hợp cho các nhiệm vụ trong tương lai như tìm kiếm cứu nạn, giám sát môi trường, kiểm tra những nơi khó tiếp cận và giao hàng trong đô thị, nơi máy bay phải di chuyển xung quanh các tòa nhà, dây điện, người đi bộ và nhiều thứ khác nữa.

Trong đoạn phim mô phỏng chuyến bay này, đôi cánh của máy bay cánh vỗ hoạt động mà không cần bất kỳ bánh răng hay động cơ nào—thay vào đó, chúng được vận hành bởi các bộ truyền động áp điện mỏng giúp làm uốn cong toàn bộ cấu trúc. Nguồn: Bilgen Lab

Mô phỏng vật lý của chuyển động vỗ cánh

Nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển một mô hình máy tính mạnh mẽ kết nối tất cả các yếu tố vật lý quan trọng liên quan đến chuyến bay cùng một lúc: chuyển động cánh và thân, khí động học, động lực học điện và kiến ​​trúc điều khiển. Điều này cho phép các kỹ sư thử nghiệm và tối ưu hóa thiết kế trên môi trường ảo trước khi chế tạo nguyên mẫu vật lý, tiết kiệm thời gian và tiền bạc đồng thời đẩy nhanh quá trình phát triển.

"Chúng tôi đã chứng minh một cách khoa học rằng loại máy bay cánh vỗ này có thể khả thi nếu chúng ta đưa ra một số giả định nhất định về vật liệu," ông nói. "Chúng tôi có thể chứng minh tính khả thi của những thiết kế mà về mặt vật lý vẫn chưa thể thực hiện được."

Hiện tại, trở ngại chính là hiệu năng của vật liệu áp điện.

"Các vật liệu áp điện hiện nay chưa đủ khả năng," Bilgen nói. "Tuy nhiên, mô hình toán học của chúng tôi cho phép chúng ta nhìn vào tương lai với những giả định hợp lý."

Bilgen lần đầu tiên tiếp xúc với máy bay cánh vỗ vào năm 2007 khi còn là sinh viên cao học, nhưng ông cho biết sự quan tâm của mình càng sâu sắc hơn vào năm 2013, khi ông bắt đầu nghiêm túc nghiên cứu cách thức có thể tái hiện lại kiểu bay bằng cánh vỗ sử dụng vật liệu thông minh.

Các công cụ mô phỏng tiên tiến được phát triển tại Rutgers giúp các kỹ sư tối ưu hóa máy bay không người lái hình chim bằng phần mềm trước tiên, đẩy nhanh quá trình đổi mới đồng thời giảm thiểu nhu cầu tạo ra các nguyên mẫu lặp đi lặp lại. Nguồn: Bilgen Lab

Nhiều công ty đã chế tạo các máy bay không người lái thử nghiệm có hình dạng giống chim, nhưng hầu hết các thiết kế hiện có đều dựa vào động cơ, bánh răng và bộ truyền động thông thường để điều khiển chuyển động cánh.

Theo Bilgen, những hệ thống đó khó có thể sánh được với hiệu suất của đôi cánh tự nhiên, vốn uốn cong và phản ứng liên tục với sự thay đổi của luồng không khí.

Học hỏi từ thiên nhiên mà không sao chép.

Bilgen cho rằng thiên nhiên mang đến những bài học quý giá cho các kỹ sư.

"Những thứ cần di chuyển nhanh phải nhẹ," ông nói. "Đó là lý do tại sao cánh chim có cấu trúc mỏng manh, và cánh máy bay lại mô phỏng cánh chim."

Mặc dù chim và côn trùng là nguồn cảm hứng cho tác phẩm, mục tiêu của Bilgen không chỉ đơn thuần là bắt chước.

"Chúng tôi không chỉ muốn bắt chước thiên nhiên," ông nói. "Chúng tôi muốn vượt qua những gì thiên nhiên làm được."

Cho đến nay, hầu hết các nguyên mẫu chim robot đều dựa trên các cơ chế mô phỏng xương và cơ bắp. Nhóm của Bilgen đang theo đuổi một con đường đơn giản hơn.

"Chúng tôi muốn đạt được khả năng bay bằng cách vỗ cánh mà không cần các cấu trúc giống xương hoặc các bộ phận truyền động giống cơ bắp, vỗ cánh theo một cách đơn giản hơn nhiều," ông nói.

Thay vì sử dụng động cơ làm cơ bắp, các dải mỏng gọi là Vật liệu composite sợi macro (MFC) được dán trực tiếp lên các mô hình có cánh mềm dẻo. Khi dòng điện chạy qua, cánh sẽ vỗ, xoắn và biến hình.

"Sợi carbon hoạt động như lông vũ và xương, còn các MFC gắn trên bề mặt hoạt động như cơ bắp và dây thần kinh," Bilgen giải thích.

Vì hệ thống này không có bánh răng hay khớp nối, các nhà nghiên cứu gọi nó là máy bay cánh vỗ không cơ cấu hoặc máy bay cánh vỗ trạng thái rắn.

Cánh vỗ mang lại những ưu điểm mà cánh quạt quay trên máy bay không người lái thông thường không có, đặc biệt là ở quy mô nhỏ. "Khi cánh vỗ tiếp xúc với môi trường, chúng ít gây hại cho chính mình và cho những thứ chúng tiếp xúc hơn", Bilgen nói.

Việc sử dụng vật liệu áp điện hoặc các vật liệu thông minh khác cũng có thể cải thiện hệ thống năng lượng tái tạo.

"Về cơ bản, cánh tuabin là một cánh quay," Bilgen nói. "Chúng tôi đã nghiên cứu việc ứng dụng vật liệu áp điện vào cánh tuabin để xem liệu có lợi ích về mặt khí động học hay không."

Bằng cách thay đổi hình dạng cánh quạt một cách tinh tế trong thời gian thực, các kỹ sư có thể tác động đến luồng không khí chảy qua bề mặt cánh quạt. Điều đó có thể dẫn đến các tuabin gió hiệu quả hơn, ông nói.

https://techxplore.com/news/2026-03-birdlike-robots-greater-flexibility-drones.html#google_vignette (ctngoc)