Sợi cơ điện – nền tảng cho robot vận hành êm ái
Cơ bắp sinh học từ lâu đã là hình mẫu lý tưởng cho các hệ thống tạo lực: mạnh mẽ, phản ứng nhanh, dễ kiểm soát và có khả năng mở rộng. Các kỹ sư trong lĩnh vực robot và thiết bị hỗ trợ đã nhiều năm tìm cách tái tạo những đặc tính này. Giờ đây, nhóm nghiên cứu tại MIT Media Lab phối hợp cùng Politecnico di Bari (Ý) đã phát triển loại sợi cơ nhân tạo điện – chất lỏng có thể tiến gần hơn tới khả năng của cơ bắp tự nhiên.
Cơ bắp nhân tạo dạng sợi – nhẹ, linh hoạt và vận hành êm ái
Khác với các hệ thống truyền động truyền thống vốn cứng nhắc và ồn ào, các sợi cơ mới này có thể sắp xếp theo nhiều cấu hình, phù hợp với từng nhiệm vụ. Chúng đủ mềm dẻo để gắn kết với cơ thể người và đặc biệt không cần động cơ, bơm ngoài hay phần cứng cồng kềnh, giúp vận hành hoàn toàn yên lặng.
Kết hợp hai công nghệ
Theo nghiên cứu đăng trên Science Robotics, hệ thống mới kết hợp:
- McKibben actuator dạng mỏng – cơ nhân tạo dẫn động bằng chất lỏng.
- Bơm thể rắn thu nhỏ dựa trên hiện tượng điện – thủy động học (EHD) – tạo áp suất trong khoang kín mà không cần bộ phận chuyển động hay nguồn chất lỏng bên ngoài.
Những bơm sợi này chỉ nặng vài gram, mỏng như tăm, có thể sản xuất liên tục và dễ dàng mở rộng quy mô.
Thiết kế đối kháng – lấy cảm hứng từ cơ sinh học
Nhóm nghiên cứu bố trí các sợi theo cấu hình đối kháng: một sợi co lại trong khi sợi kia giãn ra, giống như cách bắp tay và bắp sau phối hợp khi ta gập cánh tay. Nhờ đó, hệ thống tạo thành mạch kín, loại bỏ nhu cầu dùng bình chứa chất lỏng bên ngoài – vốn là hạn chế lớn của các bơm EHD trước đây.
Quản lý áp suất và chống hiện tượng tạo bọt khí
Một phát hiện quan trọng là các sợi cơ cần được tiền nạp áp suất thay vì chỉ bơm đầy chất lỏng. Nếu áp suất quá thấp, bơm có thể ngừng hoạt động do hiện tượng cavitation (hình thành bong bóng hơi). Bằng cách duy trì áp suất nền phù hợp, hệ thống vừa tránh sự cố vừa tối ưu khả năng co giãn hoặc tốc độ phản hồi tùy ứng dụng.
Thay đổi cách thiết kế robot
Khác với động cơ servo – vốn tạo chuyển động xoay rồi mới chuyển đổi thành chuyển động thẳng – các sợi cơ điện – chất lỏng co giãn tuyến tính tự nhiên, giống cơ bắp thật. Điều này mở ra khả năng thiết kế robot và khung xương ngoài với cấu trúc gọn nhẹ, phân bố lực đều khắp thay vì tập trung khối lượng tại khớp.
Ứng dụng tiềm năng
- Thiết bị đeo hỗ trợ: exoskeleton giúp nâng vật nặng, hoặc găng tay hỗ trợ phục hồi khả năng cử động.
- Robot mềm: mở rộng cho nhiều hệ thống dẫn động bằng chất lỏng, thay thế bơm ngoài bằng bơm tích hợp.
Giáo sư Herbert Shea (EPFL, Thụy Sĩ) nhận định: “Công trình này là bước tiến lớn trong lĩnh vực cơ nhân tạo dạng sợi, giải quyết nhiều thách thức lâu năm về tính di động và mật độ năng lượng. Việc bơm không có bộ phận chuyển động giúp hệ thống vận hành êm ái – một lợi thế lớn cho thiết bị trợ năng và trang phục thông minh.”