Trong một bước tiến lớn trong lĩnh vực chế tạo người máy, lần đầu tiên người máy có cơ bắp 'mềm mại' giống như con người đã được thiết kế thành công. Những robot mềm như vậy có thể là một lợi ích để thiết kế ra những robot thân thiện với con người trong tương lai.
Robot là những cỗ máy có thể lập trình được, thường xuyên được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, ví dụ như một phần của tự động hóa, đặc biệt là trong sản xuất, bởi vì chúng được thiết kế để thực hiện tốt các nhiệm vụ lặp đi lặp lại đòi hỏi nhiều sức mạnh. Robot tương tác với thế giới vật lý thông qua các cảm biến và bộ truyền động bên trong chúng và chúng có thể được lập trình lại, khiến chúng hữu ích và linh hoạt hơn so với các máy móc đơn chức năng thông thường. Rõ ràng từ cách thiết kế để thực hiện công việc, chuyển động của những robot này cực kỳ cứng nhắc, đôi khi giật cục, giống như máy móc và chúng nặng nề, cồng kềnh và không hữu ích khi một nhiệm vụ cụ thể yêu cầu lượng lực thay đổi tại các thời điểm khác nhau. Robot đôi khi cũng nguy hiểm và có thể cần được bảo vệ an toàn vì chúng không nhạy cảm với môi trường xung quanh. Lĩnh vực robot học đang khám phá nhiều lĩnh vực khác nhau để thiết kế, chế tạo, lập trình và sử dụng hiệu quả các máy móc robot trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và công nghệ y tế với các yêu cầu khác nhau.
Trong các nghiên cứu song sinh gần đây do Christoph Keplinger dẫn đầu, các nhà nghiên cứu đã trang bị cho robot một loại cơ mới rất giống với cơ bắp của con người, sở hữu và thể hiện sức mạnh và độ nhạy tương tự như chúng ta. Ý tưởng cốt lõi là cung cấp các chuyển động “ tự nhiên ” hơn cho máy móc, tức là robot. 99.9% robot hiện nay là những cỗ máy cứng nhắc làm bằng thép hoặc kim loại, trong khi cơ thể sinh học mềm mại nhưng lại có khả năng đáng kinh ngạc. Những robot với cơ bắp “mềm” hay “thực tế hơn” này có thể được thiết kế phù hợp để thực hiện các nhiệm vụ thường ngày và tinh tế (mà cơ bắp con người thực hiện hàng ngày), ví dụ như nhặt một quả trái cây mềm hoặc đặt một quả trứng vào giỏ. So với robot truyền thống, robot được trang bị “ cơ bắp nhân tạo ” sẽ giống như phiên bản “mềm mại” hơn của chính chúng, an toàn hơn và có thể được tùy chỉnh để thực hiện hầu hết mọi nhiệm vụ ở gần con người, cho thấy một số ứng dụng khả thi liên quan đến và xung quanh cuộc sống con người. Robot mềm có thể được gọi là robot “hợp tác”, vì chúng sẽ được thiết kế độc đáo để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể theo cách rất giống với con người.
Các nhà nghiên cứu đã và đang cố gắng tạo ra robot cơ mềm. Loại robot này sẽ cần công nghệ cơ mềm để mô phỏng cơ bắp con người, và hai công nghệ như vậy đã được các nhà nghiên cứu thử nghiệm – bộ truyền động khí nén và bộ truyền động chất đàn hồi điện môi. "Bộ truyền động" được định nghĩa là thiết bị thực tế di chuyển robot, hoặc robot thể hiện một chuyển động cụ thể. Trong bộ truyền động khí nén, một túi mềm được bơm khí hoặc chất lỏng để tạo ra một chuyển động cụ thể. Đây là thiết kế đơn giản nhưng vẫn mạnh mẽ, mặc dù các máy bơm không thực tế và chúng có các bình chứa cồng kềnh. Công nghệ thứ hai – bộ truyền động chất đàn hồi điện môi – sử dụng khái niệm áp dụng điện trường xuyên qua một loại nhựa dẻo cách điện để làm biến dạng nó và do đó tạo ra chuyển động. Hai công nghệ này, khi sử dụng riêng lẻ, vẫn chưa thành công vì khi một luồng điện chạy qua nhựa, các thiết bị này bị hỏng nhanh chóng và do đó không chịu được hư hại cơ học.
Nhiều robot " giống người " hơn với cơ bắp tương tự.
Trong hai nghiên cứu song sinh được báo cáo trên Science 1 và Sciences Robotics 2 , các nhà nghiên cứu đã tận dụng những ưu điểm của hai công nghệ cơ mềm hiện có và tạo ra một bộ truyền động đơn giản giống như cơ mềm, sử dụng điện để thay đổi chuyển động của chất lỏng bên trong các túi nhỏ. Những túi polymer dẻo này chứa một chất lỏng cách điện, ví dụ như dầu ăn thông thường (dầu thực vật hoặc dầu hạt cải) từ siêu thị, hoặc bất kỳ chất lỏng tương tự nào khác cũng có thể được sử dụng. Khi điện áp được đặt giữa các điện cực hydrogel được đặt giữa hai mặt của túi, các mặt sẽ bị kéo lại gần nhau, hiện tượng co thắt dầu xảy ra, ép chất lỏng bên trong và khiến nó chảy xung quanh bên trong túi. Sức căng này tạo ra sự co cơ nhân tạo và khi ngắt điện, dầu sẽ giãn ra trở lại, bắt chước sự giãn cơ nhân tạo . Bộ truyền động thay đổi hình dạng theo cách này, và vật thể được kết nối với bộ truyền động sẽ thể hiện chuyển động. Do đó, "cơ nhân tạo" này co và giãn (gập) ngay lập tức trong vòng mili giây theo cùng một cách, với cùng độ chính xác và lực như cơ xương thật của con người. Những chuyển động này thậm chí có thể vượt qua tốc độ phản ứng của cơ bắp con người vì cơ bắp con người đồng thời truyền tín hiệu đến não bộ, gây ra độ trễ, mặc dù không thể nhận thấy. Do đó, thông qua thiết kế này, một hệ thống chất lỏng được tạo ra với khả năng điều khiển điện trực tiếp, thể hiện tính linh hoạt và hiệu suất cao.
Trong nghiên cứu đầu tiên¹ trên tạp chí Science , các bộ truyền động được thiết kế theo hình dạng bánh rán và chúng có khả năng cũng như sự khéo léo để nhặt và giữ một quả mâm xôi bằng kẹp robot (mà không làm nổ quả!). Vấn đề hư hỏng có thể xảy ra do tia điện chạy qua chất lỏng cách điện (một vấn đề lớn với các bộ truyền động được thiết kế trước đây) cũng đã được khắc phục trong thiết kế hiện tại, và bất kỳ hư hỏng điện nào cũng được tự phục hồi hoặc sửa chữa ngay lập tức chỉ bằng cách cho chất lỏng mới chảy vào phần bị "hư hỏng" thông qua một quá trình phân phối lại đơn giản. Điều này là do việc sử dụng vật liệu lỏng, có khả năng đàn hồi tốt hơn, thay vì lớp cách điện rắn được sử dụng trong nhiều thiết kế trước đây và bị hư hỏng ngay lập tức. Trong quá trình này, cơ nhân tạo đã chịu được hơn một triệu chu kỳ co giãn. Bộ truyền động đặc biệt này, có hình dạng bánh rán, dễ dàng nhặt được một quả mâm xôi. Tương tự, bằng cách điều chỉnh hình dạng của các túi đàn hồi này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loạt các bộ truyền động với các chuyển động độc đáo, ví dụ như thậm chí nhặt một quả trứng dễ vỡ với độ chính xác và lực cần thiết. Những cơ linh hoạt này được gọi là bộ truyền động “Tự phục hồi tĩnh điện khuếch đại thủy lực”, hay bộ truyền động HASEL. Trong một nghiên cứu thứ hai 2 được công bố trên Science Robotics , cùng nhóm nghiên cứu này đã tạo ra thêm hai thiết kế cơ mềm khác co lại theo đường thẳng, rất giống với cơ bắp tay của con người, do đó có khả năng nâng vật nặng hơn trọng lượng của chính chúng nhiều lần.
A Ý kiến chung cho rằng vì rô bốt là máy móc nên chắc chắn chúng phải có lợi thế hơn con người, nhưng khi nói đến những khả năng đáng kinh ngạc do cơ bắp của chúng ta tạo ra, người ta có thể nói đơn giản rằng rô bốt nhạt nhòa so với. Cơ bắp của con người cực kỳ mạnh mẽ và bộ não của chúng ta có khả năng kiểm soát cơ bắp của chúng ta một cách phi thường. Đây là lý do tại sao cơ bắp của con người có khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với độ chính xác cao, ví dụ như viết. Cơ bắp của chúng ta liên tục co lại và thư giãn khi làm một công việc nặng nhọc và người ta nói rằng chúng ta thực sự chỉ sử dụng khoảng 65% khả năng của cơ và giới hạn này chủ yếu do suy nghĩ của chúng ta đặt ra. Nếu chúng ta có thể tưởng tượng một robot có cơ bắp mềm mại giống như con người, thì sức mạnh và khả năng sẽ rất lớn. Những nghiên cứu này được coi là bước đầu tiên để phát triển một thiết bị truyền động mà một ngày nào đó có thể đạt được những khả năng to lớn của các cơ sinh học thực sự.
Người máy 'mềm' hiệu quả về chi phí
Các tác giả nói rằng các vật liệu như túi polyme khoai tây chiên, dầu và thậm chí cả điện cực là không đắt và sẵn có với chi phí chỉ 0.9 USD (hoặc 10 xu). Đây là điều đáng khích lệ cho các đơn vị sản xuất công nghiệp hiện nay và cho các nhà nghiên cứu nâng cao chuyên môn của mình. Các vật liệu có chi phí thấp có thể mở rộng và tương thích với thực tiễn ngành hiện tại và các thiết bị như vậy có thể được sử dụng cho một số ứng dụng như bộ phận giả hoặc như một người bạn đồng hành của con người. Đây là một khía cạnh đặc biệt thú vị, vì thuật ngữ người máy luôn được coi là chi phí cao. Một nhược điểm liên quan đến cơ nhân tạo như vậy là lượng điện cần thiết cho hoạt động của nó cao và có khả năng bị cháy nếu robot dự trữ quá nhiều năng lượng của nó. Robot mềm tinh tế hơn nhiều so với các robot truyền thống, khiến thiết kế của chúng trở nên khó khăn hơn, chẳng hạn như khả năng bị thủng, mất điện và đổ dầu. Những robot mềm này chắc chắn cần một số khía cạnh tự phục hồi, giống như nhiều robot mềm đã làm.
Robot mềm hiệu quả và mạnh mẽ có thể rất hữu ích trong cuộc sống của con người vì chúng có thể bổ sung cho con người và làm việc với chúng giống như robot “cộng tác” chứ không phải là robot thay thế con người. Ngoài ra, cánh tay giả truyền thống có thể mềm mại, dễ chịu và nhạy cảm hơn. Những nghiên cứu này đầy hứa hẹn và nếu nhu cầu điện năng cao có thể được giải quyết, nó có tiềm năng tạo ra cuộc cách mạng trong tương lai của robot về thiết kế và cách chúng di chuyển.
***
Nguồn
1. Acome et al. 2018. Bộ truyền động tĩnh điện tự phục hồi được khuếch đại bằng thủy lực với hiệu suất giống như cơ bắp. Science. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris et al. 2018. Bộ truyền động Peano-HASEL: Bộ chuyển đổi điện thủy lực mô phỏng cơ bắp co tuyến tính khi kích hoạt. Khoa học Robot . 3(14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
***
