Rô-bốt lai sinh học chế tạo từ mô sống có hình dạng như động vật

Thông thường, rô-bốt thường được chế tạo từ kim loại và nhựa. Những con rô-bốt nhỏ thường làm được làm từ các vật liệu cứng. Vì rô-bốt đảm nhận nhiều vai trò ở bên ngoài phòng thí nghiệm, nên những hệ thống cứng cáp như vậy có thể mang lại những mối nguy khi con người tương tác với chúng. Chẳng hạn như, nếu một con rô-bốt công nghiệp va phải một người, thì người đó sẽ có nguy cơ bị bầm tím hoặc tổn thương xương.

Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các giải pháp để chế tạo những con rô-bốt mềm hơn hoặc phù hợp hơn – ít giống với các cỗ máy cứng ngắc và giống với động vật nhiều hơn – bằng các thiết bị truyền động truyền thống, chẳng hạn như các động cơ. Điều này có nghĩa là sử dụng cơ không khí hoặc bổ sung các lò xo song song với các động cơ. Ví dụ như, trên rô-bốt Wheg có một lò xo nằm giữa động cơ và chân bánh xe – wheel leg (nên rô-bốt này được đặt tên là Wheg) có nghĩa là khi rô-bốt va phải một cái gì đó (chẳng hạn như một người nào), thì lò xo sẽ hấp thu bớt một phần năng lượng để người đó không bị tổn thương. Một ví dụ khác là bộ giảm xóc ở rô-bốt hút bụi Roomba, nó chịu tải bằng lò xo nên Roomba sẽ không làm hỏng những thứ mà nó đâm vào.

Nhưng có một hướng tiếp cận theo một cách khác đang phát triển. Bằng cách kết hợp rô-bốt với kỹ thuật mô, các nhà khoa học đang bắt đầu chế tạo những rô-bốt chuyển động bằng các mô hoặc tế bào sống. Các thiết bị này có thể kích hoạt bằng điện hoặc ánh sáng để làm cho các tế bào co lại để uốn cong xương của chúng, khiến cho các rô-bốt bơi hoặc bò. Kết quả là những biobot (rô-bốt sinh học) này có thể di chuyển xung quanh và mềm mại giống như động vật. Chúng sẽ an toàn hơn khi ở xung quanh con người và thường ít gây hại tới môi trường làm việc xung quanh chúng hơn là những rô-bốt truyền thống. Và cũng vì thế, giống như động vật, chúng cũng cần chất dinh dưỡng để tăng cường sức mạnh cơ bắp, chúng không dùng pin, nên cũng có xu hướng nhẹ hơn.

Chế tạo các Biobot

Các nhà nghiên cứu chế tạo biobot bằng cách phát triển các tế bào sống, thường là từ trái tim hoặc cơ xương của chuột hoặc gà, trên các giá đỡ không độc hại đối với các tế bào đó. Nếu chất nền là polime, thiết bị tạo thành sẽ là một rô-bốt lai sinh học – lai giữa các vật liệu tự nhiên và nhân tạo.

Nếu bạn chỉ đặt các tế bào đó lên một bộ xương đúc từ khuôn mà không có bất kỳ sự định hướng nào, chúng sẽ kết thúc một cách ngẫu nhiên. Có nghĩa là, khi các nhà nghiên cứu dùng điện để làm chúng di chuyển, các lực co của tế bào sẽ được áp dụng trong tất cả các hướng, làm thiết bị kém hiệu quả

Vì vậy, để khai thác tốt hơn sức mạnh của các tế bào, các nhà nghiên cứu chuyển sang phương pháp vi mẫu. Họ đóng dấu hoặc in các dòng siêu nhỏ lên các bộ xương làm từ những chất mà tế bào thường thích dán lên. Những dòng này định hướng các tế bào khi chúng lớn lên, chúng sẽ sắp xếp dọc theo các mẫu in. Khi các tế bào xếp thành hàng, các nhà nghiên cứu có thể định hướng các lực co của chúng áp dụng cho chất nền. Vì vậy, thay vì các tế bào chỉ là một mớ hỗn độn, chúng có thể cùng hoạt động hòa hợp với nhau để di chuyển một chân hoặc vây của thiết bị.

Rô-bốt sinh học được lấy cảm hứng từ động vật

Ngoài một mảng rộng các rô-bốt lai sinh học, các nhà nghiên cứu thậm chí còn chế tạo một số rô-bốt hoàn toàn hữu cơ bằng các vật liệu tự nhiên, chẳng hạn như từ collagen trong da chứ không phải dùng polime để làm cơ thể của thiết bị. Một số có thể bò hoặc bơi lội khi bị kích hoạt bởi điện trường. Một số lấy cảm hứng từ các công nghệ kỹ thuật của các mô trong y học và sử dụng những cánh tay hình chữ nhật dài để tự kéo chúng về phía trước.

Những nhà nghiên cứu khác đã bắt được các gợi ý từ tự nhiên, và tạo ra những rô-bốt lấy cảm hứng từ sinh học. Chẳng hạn như, một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà khoa học từ Viện Công nghệ California đã phát triển một con rô-bốt lai sinh học lấy cảm hứng từ loài sứa. Thiết bị này, được gọi là “con sứa” và có các cánh tay sắp xếp theo một vòng tròn. Mỗi cánh tay đều được xử lý theo phương pháp vi mẫu tương tự như các cơ ở một con sứa đang sống. Khi các tế bào phản ứng, các cánh tay uốn cong vào trong, đẩy các con rô-bốt này tiến về phía chất lỏng giàu dinh dưỡng.

Gần đây hơn, các nhà nghiên cứu đã trình bày cách dẫn hướng cho các rô-bốt của họ. Một nhóm các nhà khoa học ở Harvard đã làm cho một con rô-bốt sinh học hình cá đuối bơi được bằng cách sử dụng các tế bào tim đã biến đổi gen. Các tế bào từ trái tim thay phiên nhau phản ứng với những tần số ánh sáng cụ thể - một mặt của con cá đuối này có các tế bào sẽ phản ứng với một tần số, các tế bào ở mặt còn lại sẽ phản ứng với tần số khác.

Khi các nhà nghiên cứu chiếu sáng ở phía trước con rô-bốt, các tế bào nhận tín hiệu và gửi các tín hiệu điện tới các tế bào xa hơn nằm dọc theo cơ thể của con cá đuối. Sự co sẽ lan truyền xuống cơ thể rô-bốt, làm di chuyển thiết bị về phía trước. Các nhà nghiên cứu có thể làm cho con rô-bốt rẽ phải hoặc trái bằng cách thay đổi tần số của ánh sáng mà họ sử dụng. Nếu họ chiếu ánh sáng có tần số mà làm tế bào ở mỗi mặt sẽ phản ứng nhiều hơn, các cơn co ở mặt đó sẽ mạnh hơn, cho phép các nhà nghiên cứu định hướng chuyển động của rô-bốt

Làm cho các biobot trở nên cứng rắn hơn

Trong khi lĩnh vực rô-bốt lai sinh học đang phát triển rất sôi động, thì vẫn phải tiến hành một số công việc quan trọng mới có thể đưa các thiết bị này ra khỏi phòng thí nghiệm. Các thiết bị hiện nay vẫn có tuổi thọ hạn chế và lực tạo ra vẫn thấp, làm hạn chế tốc độ và khả năng hoàn thành nhiệm vụ của chúng. Các rô-bốt được chế tạo từ tế bào của động vật có vú hoặc gia cầm thường rất cầu kỳ về điều kiện môi trường. Ví dụ, nhiệt độ môi trường xung quanh phải gần với nhiệt độ cơ thể sinh học, và các tế bào cần được nuôi dưỡng thường xuyên bằng các chất lỏng giàu dinh dưỡng. Có một biện pháp khả thi là gói ghém các thiết bị lại, để các cơ được bảo vệ khỏi môi trường bên ngoài và được tắm liên tục trong chất dinh dưỡng.

Một lựa chọn khác là sử dụng các tế bào mạnh mẽ hơn, chẳng hạn như các bộ phận truyền động. Tại Đại học Case Western Reserve, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu khả năng này bằng cách chuyển hướng sang loài sên biển cứng Aplysia californica. Vì A.californica sống ở vùng thủy triều, nó có thể chịu đựng những thay đổi lớn theo từng ngày về nhiệt độ và độ mặn môi trường. Khi thủy triều rút xuống, những con sên biển này có thể bị mắc kẹt trong các vũng thủy triều. Khi mặt trời chiếu xuống, nước có thể bay hơi và nhiệt độ tăng lên. Ngược lại, trong trường hợp có mưa, độ mặn của nước sẽ giảm xuống. Khi thủy triều lại dâng cao, chúng sẽ được giải thoát khỏi các vũng triều này. Những con sên biển này đã tiến hóa tế bào rất mạnh mẽ để chịu đựng môi trường sống luôn thay đổi này.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các mô của Aplysia để kích hoạt một con rô-bốt, việc này cho thấy có thể sản xuất các con rô bốt cứng cáp hơn từ các mô đàn hồi này. Các thiết bị này đủ lớn để mang thêm một tải trọng nhỏ - chúng dài khoảng 1,5 inch và rộng khoảng 1 inch.

Một thách thức nữa trong việc phát triển các biobot là các thiết bị hiện nay thiếu hệ thống điều khiển tích hợp. Thay vào đó, các kỹ sư phải điều khiển chúng thông qua điện trường bên ngoài hoặc bằng ánh sáng. Để phát triển các thiết bị biobot hoàn toàn độc lập, chúng ta cần những bộ điều khiển tương tác trực tiếp với các cơ và cung cấp các đầu vào cảm giác để rô-bốt tự vận hành. Một phương án khả thi là sử dụng các tế bào thần kinh hoặc các cụm tế bào thần kinh gọi là trung tâm điều khiển hữu cơ.

Đó là lý do vì sao Aplysia được dùng trong phòng thí nghiệm. Loài sên biển này vẫn được dùng làm mô hình cho các nghiên cứu về sinh học thần kinh trong nhiều thập kỷ. Một điều tuyệt vời là chúng ta đã biết về mối liên hệ giữa hệ thần kinh và các cơ bắp của nó – mở ra khả năng có thể sử dụng tế bào thần kinh của nó như một bộ điều khiển hữu cơ có thể ra lệnh cho rô-bốt di chuyển theo hướng nào hoặc giúp nó thực hiện các nhiệm vụ, chẳng hạn như tìm kiếm chất độc hoặc đi theo ánh sáng.

Trong khi lĩnh vực này vẫn còn trong giai đoạn phôi thai, các nhà nghiên cứu đã hình dung về rất nhiều ứng dụng hấp dẫn của các rô-bốt này. Chẳng hạn như, các thiết bị nhỏ bé sử dụng mô của sên có thể thả vào nguồn nước hoặc đại dương để tìm kiếm độc tố hoặc các đường ống bị rò rỉ. Do khả năng tương thích sinh học của các thiết bị, nếu chúng bị phá vỡ hoặc bị động vật hoang dã ăn thịt, theo lý thuyết, chúng sẽ không gây ra các mối đe dọa tới môi trường như các loại rô-bốt truyền thống.

Một ngày nào đó, các thiết bị này có thể được chế tạo từ các tế bào của con người và sử dụng cho các ứng dụng y học. Biobot có thể đưa thuốc đến đúng vị trí mục tiêu, làm sạch các cục máu đông hoặc đóng vai trò như các khung đỡ trong cơ thể. Bằng cách sử dụng các chất hữu cơ chứ không phải polime, các khung đỡ này có thể dùng để tăng cường cho các mạnh máu yếu để ngăn ngừa phình mạch – và theo thời gian, thiết bị này có thể tự biến đổi lại và tích hợp vào cơ thể. Ngoài các rô-bốt nhỏ đang được phát triển, các nghiên cứu đang được tiến hành trong kỹ thuật mô - chẳng hạn như các nỗ lực phát triển hệ thống mạch máu – có thể sẽ mở ra các khả năng để phát triển những biobot lớn hơn.

Anh Thư (Theo Livescience)