Một nhóm các nhà khoa học Hàn Quốc vừa công bố bước tiến đáng kinh ngạc trong lĩnh vực robot mềm - một loại "cơ bắp nhân tạo" mới có thể chuyển đổi linh hoạt giữa hai trạng thái: mềm dẻo như cao su và cứng chắc như thép.
Với khả năng chịu tải trọng gấp 4.000 lần trọng lượng của chính nó, phát minh này được xem là cú đột phá giúp các robot tương lai trở nên mạnh mẽ, linh hoạt và "sống động" hơn bao giờ hết.
Công trình nghiên cứu đến từ Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) tại Hàn Quốc, do nhóm của giáo sư Hoon Eui và cộng sự dẫn đầu. Họ đã tạo ra một loại cơ nhân tạo mới có thể "biến đổi cơ học", nghĩa là nó sẽ cứng lại khi cần nâng vật nặng và trở lại trạng thái mềm dẻo khi không chịu tải. Cơ nhân tạo này được mô tả như một vật liệu "hai trong một", mang đến sự kết hợp mà các loại cơ nhân tạo trước đây chưa thể đạt được.
Trong nhiều năm qua, robot mềm và vật liệu cơ nhân tạo luôn là lĩnh vực được quan tâm đặc biệt bởi chúng hứa hẹn mang đến khả năng tương tác và chuyển động tự nhiên hơn cho robot, thiết bị y sinh và các sản phẩm công nghệ đeo trên cơ thể người.
Tuy nhiên, những hệ thống cơ nhân tạo thông thường luôn gặp phải "nghịch lý cố hữu": nếu được thiết kế để mềm dẻo, chúng lại thiếu sức mạnh; ngược lại, nếu tăng cường độ cứng để nâng vật nặng, robot sẽ đánh mất sự linh hoạt cần thiết để hoạt động uyển chuyển. Chính sự đánh đổi này đã khiến các ứng dụng của robot mềm bị giới hạn, đặc biệt trong những công việc đòi hỏi vừa mạnh mẽ vừa tinh tế.
Giáo sư Hoon Eui và nhóm của ông đã tìm ra cách phá vỡ rào cản đó. Họ phát triển một loại cơ tổng hợp chỉ nặng 1,25 gram, nhưng có khả năng thích ứng với môi trường theo cách "thông minh": khi chịu tải nặng, nó tự động cứng lại để duy trì cấu trúc; khi cần chuyển động hoặc co lại, nó mềm ra để lấy lại độ đàn hồi.
Thành công này đạt được nhờ việc thiết kế một mạng lưới polyme liên kết chéo kép. Các liên kết hóa học cộng hóa trị đảm nhiệm vai trò tạo độ bền và sức mạnh, trong khi các tương tác vật lý - có thể hình thành và phá vỡ bằng tác động nhiệt - giúp vật liệu duy trì độ dẻo và khả năng đàn hồi vượt trội.
Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu còn nhúng vào vật liệu những vi hạt từ tính siêu nhỏ, đã được xử lý bề mặt đặc biệt. Nhờ đó, cơ nhân tạo có thể được điều khiển bằng từ trường bên ngoài, cho phép robot thực hiện các chuyển động chính xác mà không cần hệ thống dây dẫn phức tạp.
Trong các thí nghiệm, nhóm đã trình diễn khả năng "nâng tạ" của cơ nhân tạo bằng cách điều khiển nó hoàn toàn bằng lực từ, chứng minh tính linh hoạt và sức mạnh vượt trội của vật liệu.
Khi được chuyển sang trạng thái cứng, loại cơ này có thể chịu được tải trọng lên tới 5 kg – tương đương 4.000 lần trọng lượng của chính nó. Ở trạng thái mềm, nó có thể kéo dài gấp 12 lần chiều dài ban đầu mà không bị hư hại.
Giáo sư Jeong, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: "Công trình này giải quyết được vấn đề căn bản của cơ nhân tạo, vốn luôn phải chọn giữa độ bền và độ co giãn. Giờ đây, chúng tôi đã có thể kết hợp cả hai đặc tính trong cùng một vật liệu". Ông cho rằng đây sẽ là nền tảng cho thế hệ robot mềm đa chức năng, thiết bị đeo thông minh và giao diện người - máy thế hệ mới.
Không chỉ gây ấn tượng bởi khả năng chịu tải, cơ nhân tạo mới còn vượt trội hơn cả cơ bắp con người về mặt hiệu suất. Theo báo cáo, tốc độ co giãn của vật liệu đạt tới 86,4%, cao gấp đôi so với cơ thật. Mật độ năng lượng mà nó tạo ra, tức năng lượng sinh ra trên một đơn vị thể tích đạt 1150 kJ/m³, cao hơn 30 lần so với mô cơ người. Đây là một con số ấn tượng, bởi việc đạt được cả mật độ năng lượng cao lẫn độ đàn hồi lớn vốn là thách thức lớn trong ngành khoa học vật liệu.
Các nhà khoa học nhận định, phát minh này có thể mở ra nhiều ứng dụng mang tính cách mạng. Trong lĩnh vực y học, các cơ nhân tạo có thể được tích hợp vào chân tay giả, giúp người khuyết tật cảm nhận và điều khiển cử động một cách tự nhiên hơn.
Trong robot học, chúng có thể được dùng để chế tạo các robot mềm có khả năng di chuyển trong môi trường hẹp, gập ghềnh hay thậm chí bên trong cơ thể con người, nơi mà các robot cứng truyền thống không thể hoạt động.
Ngoài ra, những thiết bị đeo thông minh tương lai có thể tận dụng cơ nhân tạo này để "thích nghi" với chuyển động của người dùng, từ đó mang lại sự thoải mái và hiệu quả cao hơn.
Thực tế, cơ nhân tạo là một trong những lĩnh vực nóng bỏng của công nghệ hiện nay. Trước đó, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cũng từng mô phỏng cấu trúc của mống mắt để tạo ra một loại cơ có thể co lại theo cả hướng tròn và hướng ngang, cho phép chuyển động tinh vi và đa hướng.
Tuy nhiên, phát minh của nhóm UNIST được xem là một bước tiến xa hơn, bởi nó không chỉ mô phỏng cơ thể sống mà còn vượt qua giới hạn sinh học về sức mạnh và mật độ năng lượng.
Toàn bộ kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials - một trong những ấn phẩm hàng đầu thế giới về khoa học vật liệu. Các chuyên gia đánh giá đây là một trong những công trình có tiềm năng ứng dụng lớn nhất trong thập kỷ qua, mở đường cho thế hệ robot mới, vừa mạnh mẽ như máy móc, vừa uyển chuyển như sinh vật sống.
Với bước tiến này, ranh giới giữa công nghệ và sinh học dường như đang dần mờ đi. Những "cơ bắp nhân tạo" mềm như cao su, cứng như thép này có thể sẽ là nền tảng để tạo ra những robot tương lai, không chỉ biết chuyển động, mà còn biết "cảm nhận" thế giới như con người.
Đức Khương
