Robot chạy bằng cơ: Một biên giới mới trong kỹ thuật mô phỏng sinh học

Trong một bước phát triển đáng chú ý trong lĩnh vực robot, các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich và Viện Max Planck về Hệ thống thông minh đã tiết lộ một chân rô-bốt mới mô phỏng cơ sinh học chặt chẽ hơn bao giờ hết. Sự đổi mới này đánh dấu sự thay đổi đáng kể so với robot truyền thống, vốn dựa vào các hệ thống điều khiển bằng động cơ trong gần bảy thập kỷ.

Nỗ lực hợp tác do Robert Katzschmann và Christoph Keplinger dẫn đầu đã tạo ra một chi rô-bốt thể hiện khả năng đáng chú ý về hiệu quả năng lượng, khả năng thích ứng và khả năng phản ứng. Sự tiến bộ này có khả năng định hình lại bối cảnh của ngành rô-bốt, đặc biệt là trong các lĩnh vực đòi hỏi các chuyển động cơ học linh hoạt và giống người thật hơn.

Tầm quan trọng của sự phát triển này vượt xa sự mới lạ về công nghệ. Nó đại diện cho một bước tiến quan trọng hướng tới việc tạo ra những con rô-bốt có thể điều hướng và tương tác hiệu quả hơn với các môi trường phức tạp, thực tế. Bằng cách sao chép chặt chẽ hơn cơ chế sinh học của các sinh vật sống, chân chạy bằng cơ này mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng từ hoạt động tìm kiếm và cứu hộ đến các tương tác sắc thái hơn trong sự hợp tác giữa con người và rô-bốt.

Sự đổi mới: Bộ truyền động điện thủy lực

Trọng tâm của chân robot mang tính cách mạng này là bộ truyền động điện thủy lực, được nhóm nghiên cứu gọi là HASEL. Các thành phần cải tiến này hoạt động như cơ nhân tạo, cung cấp cho chân khả năng độc đáo của nó.

Bộ truyền động HASEL bao gồm các túi nhựa chứa đầy dầu, gợi nhớ đến những túi dùng để làm đá viên. Mỗi túi được phủ một phần ở cả hai mặt bằng vật liệu dẫn điện đóng vai trò như một điện cực. Khi điện áp được áp dụng cho các điện cực này, chúng sẽ hút nhau do tĩnh điện, tương tự như cách một quả bóng bay có thể dính vào tóc sau khi cọ xát vào nó. Khi điện áp tăng lên, các điện cực sẽ tiến lại gần nhau hơn, đẩy dầu bên trong túi ra và khiến nó co lại hoàn toàn.

Cơ chế này cho phép các chuyển động giống như cơ được ghép nối: khi một cơ cấu truyền động co lại, cơ đối ứng của nó sẽ giãn ra, mô phỏng hành động phối hợp của cơ duỗi và cơ gấp trong các hệ thống sinh học. Các nhà nghiên cứu kiểm soát các chuyển động này thông qua mã máy tính giao tiếp với bộ khuếch đại điện áp cao, xác định cơ cấu truyền động nào sẽ co lại hoặc giãn ra tại bất kỳ thời điểm nào.

Không giống như các hệ thống rô-bốt thông thường dựa vào động cơ – một công nghệ đã có từ 200 năm trước – phương pháp tiếp cận mới này đại diện cho sự thay đổi mô hình trong hoạt động của rô-bốt. Các rô-bốt truyền thống chạy bằng động cơ thường gặp khó khăn với các vấn đề về hiệu quả năng lượng, khả năng thích ứng và nhu cầu về các hệ thống cảm biến phức tạp. Ngược lại, chân chạy bằng năng lượng HASEL giải quyết những thách thức này theo những cách mới lạ.

Ưu điểm: Hiệu quả năng lượng, Khả năng thích ứng, Cảm biến đơn giản

Chân điện-thủy lực cho thấy hiệu suất năng lượng vượt trội so với các chân được điều khiển bằng động cơ. Ví dụ, khi duy trì vị trí cong, chân HASEL tiêu thụ ít năng lượng hơn đáng kể. Hiệu suất này thể hiện rõ trong hình ảnh nhiệt, cho thấy nhiệt lượng tỏa ra tối thiểu ở chân điện-thủy lực so với nhiệt lượng tỏa ra đáng kể của các hệ thống được điều khiển bằng động cơ.

Khả năng thích ứng là một lợi thế quan trọng khác của thiết kế mới này. Hệ thống cơ xương của chân cung cấp độ đàn hồi vốn có, cho phép chân linh hoạt điều chỉnh theo nhiều địa hình khác nhau mà không cần lập trình trước phức tạp. Điều này mô phỏng khả năng thích ứng tự nhiên của chân sinh học, có thể tự điều chỉnh theo bản năng với các bề mặt và tác động khác nhau.

Có lẽ ấn tượng nhất là chân chạy bằng HASEL có thể thực hiện các chuyển động phức tạp – bao gồm nhảy cao và điều chỉnh nhanh – mà không cần dựa vào các hệ thống cảm biến phức tạp. Các đặc tính vốn có của bộ truyền động cho phép chân phát hiện và phản ứng với chướng ngại vật một cách tự nhiên, đơn giản hóa thiết kế tổng thể và có khả năng giảm điểm hỏng trong các ứng dụng thực tế.

Ứng dụng và tiềm năng tương lai

Chân rô bốt chạy bằng cơ bắp chứng minh khả năng vượt qua ranh giới của những gì có thể trong kỹ thuật mô phỏng sinh học. Khả năng thực hiện các cú nhảy cao và thực hiện các chuyển động nhanh cho thấy tiềm năng của các hệ thống rô bốt năng động và nhanh nhẹn hơn. Sự nhanh nhẹn này, kết hợp với khả năng phát hiện và phản ứng với các chướng ngại vật mà không cần mảng cảm biến phức tạp của chân, mở ra những khả năng thú vị cho các ứng dụng trong tương lai.

Trong lĩnh vực robot mềm, công nghệ này có thể cải thiện cách máy móc tương tác với các vật thể mỏng manh hoặc điều hướng trong môi trường nhạy cảm. Ví dụ, Katzschmann gợi ý rằng bộ truyền động điện thủy lực có thể đặc biệt có lợi trong việc phát triển các kẹp tùy chỉnh cao. Các kẹp như vậy có thể điều chỉnh lực kẹp và kỹ thuật của chúng dựa trên việc chúng đang xử lý một vật thể chắc chắn như quả bóng hay một vật dễ vỡ như quả trứng hoặc cà chua.

Nhìn xa hơn, các nhà nghiên cứu hình dung ra các ứng dụng tiềm năng trong robot cứu hộ. Katzschmann suy đoán rằng các lần lặp lại trong tương lai của công nghệ này có thể dẫn đến sự phát triển của robot bốn chân hoặc robot hình người có khả năng di chuyển trên các địa hình đầy thách thức trong các tình huống thảm họa. Tuy nhiên, ông lưu ý rằng vẫn còn nhiều công việc quan trọng trước khi các ứng dụng như vậy trở thành hiện thực.

Thách thức và tác động rộng hơn

Mặc dù có tính đột phá, nguyên mẫu hiện tại vẫn còn nhiều hạn chế. Như Katzschmann giải thích, “So với robot đi bộ có động cơ điện, hệ thống của chúng tôi vẫn còn hạn chế. Chân hiện được gắn vào một thanh, nhảy theo vòng tròn và vẫn chưa thể di chuyển tự do”. Vượt qua những hạn chế này để tạo ra những robot hoàn toàn di động, chạy bằng cơ bắp là rào cản lớn tiếp theo đối với nhóm nghiên cứu.

Tuy nhiên, tác động rộng hơn của sự đổi mới này đối với lĩnh vực robot không thể được cường điệu hóa. Keplinger nhấn mạnh tiềm năng biến đổi của các khái niệm phần cứng mới như cơ nhân tạo: “Lĩnh vực robot đang có những tiến bộ nhanh chóng với các điều khiển tiên tiến và máy học; ngược lại, phần cứng robot có ít tiến bộ hơn nhiều, điều này cũng quan trọng không kém”.

Sự phát triển này báo hiệu một sự thay đổi tiềm năng trong triết lý thiết kế rô-bốt, chuyển từ các hệ thống cứng nhắc, chạy bằng động cơ sang các bộ truyền động giống cơ linh hoạt hơn. Sự thay đổi như vậy có thể dẫn đến các rô-bốt không chỉ tiết kiệm năng lượng và thích ứng hơn mà còn an toàn hơn cho tương tác của con người và có khả năng bắt chước các chuyển động sinh học tốt hơn.

Lời kết

Chân rô-bốt chạy bằng cơ do các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich và Viện Max Planck về Hệ thống thông minh phát triển đánh dấu một cột mốc quan trọng trong kỹ thuật mô phỏng sinh học. Bằng cách khai thác các bộ truyền động điện-thủy lực, sáng kiến ​​này cung cấp cái nhìn thoáng qua về tương lai nơi rô-bốt di chuyển và thích nghi giống như các sinh vật sống hơn là máy móc. 

Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức trong việc phát triển robot tự động, di động hoàn toàn bằng công nghệ này, nhưng các ứng dụng tiềm năng là rất lớn và thú vị. Từ những robot công nghiệp khéo léo hơn đến những cỗ máy cứu hộ nhanh nhẹn có khả năng di chuyển trong các vùng thảm họa, bước đột phá này có thể định hình lại hiểu biết của chúng ta về robot. Khi nghiên cứu tiến triển, chúng ta có thể chứng kiến ​​giai đoạn đầu của sự thay đổi mô hình làm mờ ranh giới giữa cơ học và sinh học, có khả năng cách mạng hóa cách chúng ta thiết kế và tương tác với robot trong những năm tới.