Robot sinh học lai biến chất thải thực phẩm thành những cỗ máy hữu ích.

Mặc dù nhiều nhà chế tạo robot ngày nay lấy cảm hứng từ thiên nhiên để thiết kế, nhưng ngay cả những robot lấy cảm hứng từ sinh học cũng thường được chế tạo từ các vật liệu phi sinh học như kim loại, nhựa và vật liệu composite. Tuy nhiên, một robot thao tác thử nghiệm mới từ Phòng thí nghiệm Thiết kế và Chế tạo Robot Tính toán ( CREATE Lab) thuộc Trường Kỹ thuật của EPFL đã đảo ngược xu hướng này: đặc điểm chính của nó là một cặp khung xương ngoài hình bụng tôm hùm.

Mặc dù có vẻ lạ, nhưng người đứng đầu CREATE Lab, Josie Hughes giải thích rằng việc kết hợp các yếu tố sinh học với các thành phần tổng hợp có tiềm năng đáng kể không chỉ để nâng cao khả năng của robot mà còn để hỗ trợ các hệ thống công nghệ bền vững.

“Bộ xương ngoài kết hợp lớp vỏ khoáng hóa với màng khớp, tạo ra sự cân bằng giữa độ cứng và độ linh hoạt, cho phép các đoạn cơ thể di chuyển độc lập. Những đặc điểm này giúp giáp xác di chuyển nhanh, tạo mô-men xoắn cao trong nước, đồng thời cũng rất hữu ích cho robot học. Và bằng cách tái sử dụng chất thải thực phẩm, chúng tôi đề xuất một quy trình thiết kế tuần hoàn bền vững, trong đó vật liệu có thể được tái chế và điều chỉnh cho các nhiệm vụ mới.”

Trong một bài báo được công bố trên tạp chí Advanced Science , Hughes và nhóm của bà đã chứng minh ba ứng dụng robot bằng cách tăng cường lớp vỏ ngoài của tôm hùm đất, loài trước đây được thu hoạch và chế biến cho ngành công nghiệp thực phẩm, với khả năng điều khiển chính xác và độ bền cao của các thành phần tổng hợp: một cánh tay robot có thể xử lý các vật nặng tới 500 g, các bộ phận kẹp có thể uốn cong và nắm bắt nhiều vật thể khác nhau, và một robot bơi lội.

Thiết kế, vận hành, tái chế, lặp lại

Trong nghiên cứu của mình, phòng thí nghiệm CREATE đã quyết định kết hợp độ bền cấu trúc và tính linh hoạt của bộ xương ngoài của tôm hùm với khả năng kiểm soát chính xác và tuổi thọ cao của các thành phần tổng hợp.

Họ đã đạt được điều này bằng cách nhúng một chất đàn hồi vào bên trong bộ khung xương ngoài để điều khiển từng đoạn của nó, sau đó gắn nó lên một đế có động cơ để điều chỉnh độ cứng (giãn và gập). Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã phủ một lớp silicon lên bộ khung xương ngoài để gia cố và kéo dài tuổi thọ của nó.

Khi được gắn trên đế có động cơ, thiết bị có thể được sử dụng để di chuyển một vật nặng tới 500 g vào vùng mục tiêu. Khi được gắn thành một cặp kẹp, hai bộ khung xương ngoài có thể kẹp thành công nhiều vật thể khác nhau với kích thước và hình dạng từ bút dạ quang đến cà chua. Hệ thống robot thậm chí có thể được sử dụng để đẩy một robot bơi với hai “vây” khung xương ngoài chuyển động với tốc độ lên đến 11 cm/giây.

Sau khi sử dụng, bộ khung xương ngoài và đế robot có thể được tách rời và hầu hết các thành phần tổng hợp có thể được tái sử dụng. “Theo hiểu biết của chúng tôi, chúng tôi là những người đầu tiên đề xuất bằng chứng về khái niệm tích hợp chất thải thực phẩm vào một hệ thống robot kết hợp thiết kế bền vững với việc tái sử dụng và tái chế”, Sareum Kim, nhà nghiên cứu của CREATE Lab và là tác giả chính, cho biết.

Một hạn chế của phương pháp này nằm ở sự biến đổi tự nhiên trong cấu trúc sinh học; ví dụ, hình dạng độc đáo của mỗi đuôi tôm hùm đất khiến cho bộ phận kẹp hai “ngón” uốn cong hơi khác nhau ở mỗi bên. Các nhà nghiên cứu cho biết thách thức này sẽ đòi hỏi sự phát triển các cơ chế tăng cường tổng hợp tiên tiến hơn như bộ điều khiển có thể điều chỉnh. Với những cải tiến như vậy, nhóm nghiên cứu nhận thấy tiềm năng cho các hệ thống trong tương lai tích hợp các yếu tố cấu trúc có nguồn gốc sinh học, ví dụ như trong cấy ghép y sinh hoặc nền tảng giám sát hệ thống sinh học.

“Mặc dù thiên nhiên không nhất thiết cung cấp hình thức tối ưu, nhưng nó vẫn vượt trội hơn nhiều hệ thống nhân tạo và mang lại những hiểu biết quý giá để thiết kế các máy móc chức năng dựa trên những nguyên tắc thanh lịch,” Hughes tóm tắt.