Phát triển cơ nhân tạo nâng vật nặng gấp 4.400 lần trọng lượng

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học giải quyết thành công bài toán nan giải về sự cân bằng giữa độ linh hoạt và sức mạnh trong thiết kế cơ nhân tạo. Kết quả nghiên cứu đột phá này đã được công bố trên tạp chí Vật liệu Chức năng tiên tiến (Advanced Functional Materials) vào ngày 7/9.

Giáo sư Hoon Eui Jeong, chuyên gia kỹ thuật cơ khí tại Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) và là tác giả chính của nghiên cứu, nhấn mạnh: "Nghiên cứu này đã khắc phục được hạn chế cơ bản của cơ nhân tạo truyền thống, vốn chỉ có thể co giãn cao nhưng yếu, hoặc mạnh nhưng cứng. Vật liệu composite của chúng tôi có thể làm được cả hai, mở ra cánh cửa cho các robot mềm linh hoạt hơn, các thiết bị đeo trên người và các giao diện người - máy trực quan".

Cơ nhân tạo thường bị giới hạn bởi khả năng linh hoạt hoặc độ cứng. Chúng cần phải co giãn được trong khi vẫn cung cấp đủ năng lượng đầu ra, nếu không mật độ hoạt động của chúng sẽ bị hạn chế. Tuy nhiên, cơ nhân tạo mềm được đánh giá cao về khả năng biến đổi nhờ trọng lượng nhẹ, khả năng thích nghi cơ học và khả năng truyền động đa hướng (chuyển động).

Mật độ làm việc, hay lượng năng lượng trên một đơn vị thể tích mà cơ có thể cung cấp, là một thách thức lớn đối với cơ nhân tạo. Việc đạt được giá trị cao cùng với khả năng co giãn cao là mục tiêu mà các nhà khoa học luôn hướng tới.

Cơ nhân tạo mới được mô tả là một "bộ truyền động composite từ tính hiệu suất cao", là sự kết hợp hóa học phức tạp của các polyme liên kết với nhau để mô phỏng lực kéo và thả của cơ. Một trong các polyme này có thể thay đổi độ cứng và nằm trong một ma trận chứa các vi hạt từ tính trên bề mặt, cũng có thể điều khiển được. Điều này cho phép cơ hoạt động và điều khiển được, tạo ra chuyển động.

Thiết kế mới tích hợp hai cơ chế liên kết chéo riêng biệt: mạng lưới hóa học liên kết cộng hóa trị (hai hoặc nhiều nguyên tử chia sẻ electron để đạt được cấu hình ổn định hơn) và mạng lưới tương tác vật lý thuận nghịch. Hai cơ chế này mang lại sức bền cho cơ để hoạt động lâu dài.

Sự cân bằng giữa độ cứng và độ co giãn được giải quyết hiệu quả nhờ kiến ​​trúc liên kết chéo kép. Mạng lưới vật lý được củng cố hơn nữa bằng cách tích hợp một loại vi hạt (NdFeB) trên bề mặt cơ, có thể được bổ sung chức năng thông qua chất lỏng không màu (octadecyltrichlorosilane). Các hạt này được phân tán khắp ma trận polyme.

Cơ tổng hợp trở nên cứng khi chịu tải trọng nặng và mềm ra khi cần co lại. Ở trạng thái cứng, cơ nhân tạo, chỉ nặng 1,13gram, có thể chịu được trọng lượng lên đến 5kg, tức là gấp khoảng 4.400 lần trọng lượng của chính nó.

Các nhà nghiên cứu cho biết cơ của con người co lại ở mức căng khoảng 40%, nhưng cơ tổng hợp đạt mức căng 86,4% - gấp đôi so với cơ của con người. Điều này cho phép mật độ làm việc đạt 1.150 kilojoule/mét khối - cao gấp 30 lần so với khả năng của mô người.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm kéo đơn trục để đo sức mạnh của cơ nhân tạo, tác dụng lực kéo lên vật thể cho đến khi nó bị gãy để tìm ra sức mạnh kéo tối đa.

Các chuyên gia đánh giá, đột phá này mở ra triển vọng cho nhiều lĩnh vực, từ robot học mềm, phục hồi chức năng y học, đến thiết bị đeo thông minh và giao diện tương tác người - máy.

Với khả năng vừa linh hoạt vừa mạnh mẽ, thế hệ cơ nhân tạo mới có thể giúp robot di chuyển uyển chuyển hơn, đồng thời hỗ trợ chính xác các cử động của con người trong các ứng dụng y sinh và công nghiệp tinh vi.