Các nhà khoa học phát triển robot có thể đi trên mặt nước

Lấy cảm hứng từ thiên nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát triển hai nguyên mẫu có thể tự đẩy mình trên chất lỏng.

Trong suốt hàng tỷ năm, thiên nhiên đã đóng vai trò như một bậc thầy kiến tạo, nhà thiết kế hoàn hảo nhất của Trái Đất. Mọi sinh vật từ loài vi khuẩn đơn giản đến những động vật phức tạp đều là kết quả của hàng triệu năm tiến hóa, thích nghi và hoàn thiện.

Trong số đó, loài bọ nước, tuy nhỏ bé, lại là một trong những minh chứng ấn tượng nhất cho tài năng của tự nhiên: chúng có thể nhẹ nhàng di chuyển trên mặt hồ chỉ bằng đôi chân mảnh mai. Chính khả năng đó đã trở thành nguồn cảm hứng bất tận cho các nhà khoa học và kỹ sư robot trong hành trình chinh phục giới hạn giữa vật lý và công nghệ.

Trong nhiều thập kỷ qua, giới nghiên cứu đã nỗ lực tái tạo kỳ quan tự nhiên này: làm thế nào để một cỗ máy có thể di chuyển trên mặt nước mà không chìm, vừa nhẹ, vừa linh hoạt, lại vừa đủ mạnh để tiến về phía trước.

Tuy nhiên, đây luôn là bài toán khó, bởi những đặc tính giúp sinh vật như bọ nước có thể "đi" trên mặt nước như khối lượng nhẹ, cấu trúc mềm và khả năng tự thích ứng lại là những yếu tố mà ngành chế tạo robot truyền thống khó có thể tái hiện.

Mới đây, một nhóm kỹ sư tại Đại học Virginia (Mỹ) đã công bố một bước đột phá có thể thay đổi hoàn toàn cách con người chế tạo robot trong tương lai. Họ đã phát triển một quy trình sản xuất mới cho phép robot được tạo mẫu, lắp ráp và vận hành trực tiếp trên bề mặt nước, thay vì trên bàn thí nghiệm cứng như trước.

Trọng tâm của nghiên cứu này là công nghệ có tên HydroSpread , giúp tạo ra những màng phim siêu mỏng với bề mặt cực mịn và độ đồng đều vượt trội. Khác với các phương pháp truyền thống như in phun hay tráng phủ quay vốn dễ tạo ra lỗi bề mặt, HydroSpread cho phép sản xuất vật liệu mềm hoàn hảo đến mức có thể sử dụng ngay làm nền cho robot hoạt động.

Công nghệ này không chỉ cải thiện chất lượng vật liệu mà còn mở đường cho việc chế tạo các thiết bị linh hoạt, nhạy cảm và siêu nhẹ, điều mà ngành robot học luôn hướng tới.

Tuy nhiên, để biến tấm màng mỏng đó thành một cỗ máy hoạt động, nhóm nghiên cứu phải vượt qua một rào cản khác: làm thế nào để khắc các chi tiết siêu nhỏ mà không làm hỏng vật liệu mềm .

Thông thường, tia laser (công cụ khắc cắt chính xác cao) lại tỏa ra nhiệt lớn, khiến vật liệu polymer dễ bị nóng chảy, biến dạng. Giải pháp của họ thật bất ngờ: thực hiện toàn bộ quá trình khắc trực tiếp trên mặt nước .

Nước trong trường hợp này đóng vai trò như một "bộ tản nhiệt tự nhiên" hoàn hảo. Khi tia laser tác động lên vật liệu, nhiệt lượng dư thừa được hấp thụ ngay lập tức, tránh lan tỏa ra các vùng xung quanh. Nhờ đó, các đường khắc trở nên cực kỳ sắc nét và chính xác , giúp robot có thể đạt độ chi tiết cao mà không bị méo hay hỏng cấu trúc.

Đây là một bước ngoặt trong kỹ thuật chế tạo robot mềm, bởi nó loại bỏ gần như toàn bộ rủi ro về sai lệch hình dạng, yếu tố từng là "ác mộng" đối với các nhà thiết kế.

Kết quả của những cải tiến này là hai nguyên mẫu robot hoàn toàn mới: HydroFlexor và HydroBuckler .

HydroFlexor được thiết kế để mô phỏng chuyển động bơi lội tự nhiên. Thân robot được tạo thành từ hai lớp màng mỏng ghép lại, có thể co giãn và xoắn khi gặp nhiệt độ cao. Khi được làm nóng, sự chênh lệch nhiệt giữa hai lớp màng khiến robot "vỗ" cánh xuống nước, tạo ra lực đẩy. Khi nguội đi, nó trở lại trạng thái ban đầu và sẵn sàng cho nhịp chuyển động tiếp theo. Chuỗi chuyển động nhịp nhàng này cho phép HydroFlexor bơi trên mặt nước giống như một sinh vật sống: nhẹ nhàng, linh hoạt và ổn định.

Trong khi đó, HydroBuckler lại lấy cảm hứng trực tiếp từ chính loài bọ nước . Robot có phần thân trung tâm cùng nhiều "chân" mảnh bao quanh, được thiết kế sao cho khi chịu tác động của nhiệt, chúng không chỉ cong lại mà còn " bật" ra giống như chuyển động đạp nước . Hiện tượng này được gọi là "uốn cong đàn hồi", một phản ứng nhanh và mạnh, giúp robot tiến về phía trước. Khi nguội, các "chân" lại duỗi ra, sẵn sàng cho bước kế tiếp.

Bằng việc thay đổi chiều dài các chân ở mỗi bên, nhóm nghiên cứu có thể điều khiển hướng đi của robot, một chi tiết nhỏ nhưng thể hiện độ chính xác đáng kinh ngạc của công nghệ mới. HydroBuckler không chỉ có thể di chuyển thẳng, mà còn xoay chuyển linh hoạt, mở ra khả năng điều hướng phức tạp trên mặt nước.

Những mẫu robot này, dù chỉ mới ở giai đoạn thử nghiệm, đã chứng minh tính khả thi của một phương pháp chế tạo hoàn toàn mới, nơi vật liệu mềm, quá trình sản xuất và môi trường vận hành hòa làm một. Thay vì sản xuất robot trong phòng thí nghiệm rồi thử nghiệm ngoài thực tế, giờ đây các kỹ sư có thể xây dựng và kích hoạt robot ngay trong môi trường mà chúng được thiết kế để hoạt động .

Tầm nhìn của các nhà nghiên cứu còn vượt xa hơn thế. Họ hình dung trong tương lai, hàng trăm, thậm chí hàng nghìn robot HydroBuckler siêu nhỏ có thể được triển khai để giám sát chất lượng nước tại các hồ, sông, vùng ngập lụt , hoặc tìm kiếm người mất tích trong các thảm họa tự nhiên mà không cần con người trực tiếp tham gia.

Còn HydroFlexor có thể trở thành nền tảng cho các thiết bị thăm dò nhẹ, giá rẻ, có thể di chuyển tự động trên bề mặt chất lỏng trong không gian hoặc trong môi trường nguy hiểm.

Bên cạnh các ứng dụng môi trường, công nghệ này còn mở ra hướng đi mới cho ngành sản xuất vật liệu linh hoạt và cảm biến sinh học . Việc chế tạo trên bề mặt chất lỏng giúp tránh biến dạng, hư hại, và có thể được mở rộng quy mô công nghiệp để tạo ra các lớp vật liệu mềm dùng trong thiết bị đeo, robot y học hoặc da nhân tạo.

Nhìn rộng hơn, đây không chỉ là câu chuyện về hai mẫu robot nhỏ bé. Đó là một bước ngoặt trong tư duy thiết kế, khi con người học cách "xây dựng" giống như thiên nhiên: linh hoạt, thích nghi và hiệu quả.

Giống như loài bọ nước từng khiến các nhà khoa học kinh ngạc, những cỗ máy biết "đi”"trên mặt nước có thể là tiền đề cho một kỷ nguyên mới, nơi công nghệ và tự nhiên hòa quyện để cùng tạo nên tương lai của trí tuệ nhân tạo mềm.