MỸ – Các kỹ sư tại đại học California – UCLA (University of California), tại bang Los Angeles, đã phát triển một chiến lược thiết kế mới và kỹ thuật in 3D để chế tạo robot chỉ trong một bước, kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên tạp chí Science.
Bước đột phá này cho phép các hệ thống cơ khí và điện tử cần thiết để vận hành một robot được sản xuất cùng một lúc bằng một loại quy trình in 3D mới cho các vật liệu hoạt động, được thiết kế với nhiều chức năng (còn được gọi là ‘metamaterials’, tạm dịch là ‘siêu vật liệu’). Sau khi được in 3D, một ‘meta-bot’ (tạm dịch là ‘siêu robot’) sẽ có khả năng di chuyển, cảm biến chuyển động và ra quyết định.
Hầu hết các robot, bất kể kích thước của chúng, thường được chế tạo theo một loạt các bước sản xuất phức tạp tích hợp các chi, linh kiện điện tử và linh kiện hoạt động. Quá trình này dẫn đến trọng lượng cao hơn, khối lượng cồng kềnh hơn và lực đầu ra giảm so với các robot được chế tạo bằng phương pháp mới này.
Chìa khóa cho phương pháp tất cả trong một này là thiết kế và in siêu vật liệu áp điện (piezoelectric) (1) – một loại vật liệu dạng lưới phức tạp có thể thay đổi hình dạng và chuyển động để phản ứng với điện trường (2) hoặc tạo ra điện tích do tác động của lực vật lý. Việc sử dụng các vật liệu hoạt động có thể chuyển đổi điện thành chuyển động không phải là mới; tuy nhiên, những vật liệu này thường có giới hạn về phạm vi chuyển động và khoảng cách di chuyển. Chúng cũng cần được kết nối với các hệ thống truyền động giống hộp số, để đạt được chuyển động mong muốn. (1) Vật liệu áp điện: là vật liệu có thể sản sinh ra điện do áp suất cơ học, chẳng hạn như nén. Những vật liệu này cũng có thể biến dạng khi áp dụng điện áp. (2) Điện trường: là một trường điện tạo ra từ các đường lực điện bao quanh lấy điện tích.
Ngược lại, vật liệu robot (robotic materials) do đại học UCLA phát triển – mỗi vật liệu robot có kích thước bằng một đồng xu – được tạo thành từ các thành phần áp điện và cấu trúc phức tạp được thiết kế để bẻ cong, co giãn, xoắn, xoay, giãn nở hoặc co lại ở tốc độ cao. Nhóm nghiên cứu cũng trình bày một phương pháp để thiết kế các vật liệu robot này để khách hàng có thể tự tạo mô hình và in trực tiếp các vật liệu vào robot.
Tác giả chính của bài viết – ông Huachen Cui cho biết: “Điều này cho phép sắp xếp chính xác các bộ phận truyền động trên khắp cơ thể của robot, nhằm có những chuyển động nhanh, phức tạp và kéo dài trên nhiều loại địa hình khác nhau”.
Ông Huachen nói tiếp: “Với hiệu ứng áp điện hai chiều, vật liệu robot cũng có thể tự cảm nhận độ cong của chúng, phát hiện chướng ngại vật thông qua tiếng vang và phát xạ siêu âm, cũng như phản ứng với các kích thích bên ngoài thông qua vòng điều khiển phản hồi xác định cách robot di chuyển, tốc độ di chuyển và hướng tới mục tiêu”.
Siêu vật liệu in bao gồm một mạng lưới bên trong có các thành phần cảm biến, chuyển động, cấu trúc và có thể tự di chuyển theo các lệnh được lập trình. Với mạng lưới bên trong gồm các thành phần chuyển động và cảm biến đã có sẵn, thành phần bên ngoài duy nhất cần thiết là một pin nhỏ để cung cấp năng lượng cho robot.
Phó giáo sư Xiaoyu (Rayne) Zheng, nhà nghiên cứu chính nói rằng: “Chúng tôi hình dung rằng phương pháp thiết kế và in vật liệu robot thông minh này sẽ giúp hiện thực hóa một loại vật liệu tự động, có thể thay thế quy trình lắp ráp phức tạp trên thị trường để chế tạo robot”.
Phó giáo sư Xiaoyu nói tiếp: “Với các chuyển động phức tạp, nhiều chế độ cảm biến và khả năng ra quyết định có thể lập trình được, tất cả đều được tích hợp chặt chẽ, giống như một hệ thống sinh học với các dây thần kinh, xương và gân hoạt động song song để thực hiện các chuyển động có kiểm soát.”
Sử dụng kỹ thuật này, nhóm đã chế tạo và chứng minh tính tự động vận hành của ba robot in 3D – mỗi robot có kích thước bằng móng tay – với các khả năng khác nhau. Một robot có thể di chuyển quanh các góc hình chữ S và các chướng ngại vật được đặt ngẫu nhiên, một robot khác có thể thoát ra khi có va chạm và robot thứ ba có thể đi trên địa hình gồ ghề, thậm chí thực hiện các cú nhảy nhỏ.
Theo Phó giáo sư Xiaoyu, phương pháp này có thể dẫn đến những thiết kế mới cho robot y sinh, chẳng hạn như nội soi tự chuyển động hoặc robot bơi nhỏ, có thể phát ra sóng siêu âm và tự di chuyển gần các mạch máu để đưa liều thuốc vào các vị trí mục tiêu cụ thể bên trong cơ thể. Các meta-bot cũng có thể khám phá các môi trường nguy hiểm; ví dụ, trong một tòa nhà bị sập, một đàn robot nhỏ như vậy được trang bị các bộ phận cảm biến tích hợp có thể nhanh chóng tiếp cận các không gian hẹp, đánh giá mức độ ảnh hưởng và hỗ trợ hoạt động cứu hộ bằng cách tìm kiếm nạn nhân.
Tiến bộ này kết hợp các kỹ thuật in 3D trước đây do Phó giáo sư Xiaoyu và ông Hensleigh phát triển khi cả hai đều là nhà nghiên cứu tại đại học Virginia Tech, nơi nắm giữ bằng sáng chế. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch nộp thêm bằng sáng chế thông qua nhóm phát triển công nghệ tại đại học UCLA (UCLA Technology Development Group) cho phương pháp mới được phát triển tại đại học UCLA.
Để xem các tin bài khác về “In 3D”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
