Nghiên cứu mới đưa ra quy trình, thực hiện chế tạo và trình diễn một loạt các robot nhỏ bé có thể đi bộ, di chuyển và nhảy được công bố trên tạp chí Science.

Nghiên cứu đột phá cho phép toàn bộ hệ thống cơ khí và điện tử cần thiết để vận hành một robot được chế tạo cùng một lúc bằng quy trình in 3D kiểu mới, sử dụng các vật liệu tiên tiến, được thiết kế có nhiều chức năng (siêu vật liệu). Sau khi in 3D, một "meta-bot" sẽ có khả năng chuyển động, cảm nhận và ra quyết định.

Siêu vật liệu in có thiết kế bên trong là một mạng lưới các phần tử cảm giác, chuyển động và cấu trúc bền vững, có thể tự di chuyển theo các lệnh được lập trình. Với mạng lưới di chuyển và cảm biến bên trong đã có sẵn, thành phần ngoại vi duy nhất cần thiết là một cục pin nhỏ để cung cấp năng lượng cho robot.

Xiaoyu (Rayne) Zheng, PGS kỹ thuật dân dụng và môi trường, kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Trường Kỹ thuật UCLA Samueli cho biết: phương pháp thiết kế và in ấn vật liệu robot thông minh này sẽ thúc đẩy phát triển loại vật liệu tự hành, có thể thay thế quy trình lắp ráp phức tạp các robot nhỏ hiện nay, với những chuyển động phức tạp, nhiều chế độ cảm nhận và khả năng ra quyết định, có thể lập trình đều được tích hợp chặt chẽ, tương tự như một hệ thống sinh học với các dây thần kinh, xương và gân hoạt động song song để thực hiện các chuyển động có điều khiển và kiểm soát.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh sự tích hợp với pin và bộ điều khiển trên bo mạch, vận hành hoàn toàn tự động những robot in 3D - mỗi robot có kích thước bằng móng tay. Phương pháp này có thể mở ra những thiết kế mới, dễ dàng hơn cho robot y sinh, chẳng hạn như ống nội soi tự lái hoặc robot tự bơi nhỏ, có thể phát ra các tín hiệu siêu âm, tư động điều hướng gần các mạch máu, cung cấp thuốc chính xác tại các vị trí mục tiêu cụ thể trong cơ thể.

Những "meta-bot" này cũng có thể khám phá các môi trường nguy hiểm. Ví dụ, trong một tòa nhà bị sập, một bầy robot nhỏ bé, trang bị các bộ phận cảm biến tích hợp có thể nhanh chóng tiếp cận những không gian hạn chế, đánh giá mức độ đe dọa và hỗ trợ tìm kiếm những nạn nhân bị mắc kẹt trong đống đổ nát và giải cứu.

Tất cả robot, bất kể kích thước thường được chế tạo theo một loạt các bước sản xuất phức tạp tích hợp các chi hoạt động, các thành phần điện tử và truyền chuyển động. Phương thức chế tạo này khiến robot có trọng lượng nặng, khối lượng lớn hơn và giảm công suất đầu so với robot, có thể được chế tạo bằng phương pháp mới này.

Điều kiện then chốt trong phương pháp tất cả trong một do nhóm nhà khoa học UCLA là thiết kế và in siêu vật liệu áp điện, loại vật liệu mạng tinh thể phức tạp có thể thay đổi hình dạng và di chuyển theo điện trường hoặc tạo ra điện tích hay động lực học từ các tác động của môi trường vật chất.

 Mạng lưới siêu vật liệu áp điện  in 3D, nền tảng của “meta - bot” do UCLA phát triển. Ảnh: UCLA

Phương pháp sử dụng các vật liệu tích cực chuyển điện năng thành chuyển động không phảià mới. Nhưng những vật liệu này thường có phạm vi chuyển động và khoảng cách di chuyển giới hạn. Vật liệu cần được kết nối với hệ thống truyền động tương tự như hộp số để có được những chuyển động mong muốn.

Các vật liệu robot do UCLA phát triển, mỗi vật liệu có kích thước bằng một đồng xu bao gồm các phần tử áp điện và cấu trúc phức tạp được thiết kế để uốn, uốn, xoắn, xoay, mở rộng hoặc co lại với tốc độ cao. Nhóm nghiên cứu đã trình bày phương pháp thiết kế những vật liệu robot, người dùng có thể tự chế tạo mô hình và in các vật liệu đó thành robot trực tiếp.

Nghiên cứu sinh sau TS Huachen Cui của UCLA tại Phòng thí nghiệm Sản xuất Phụ gia và Siêu vật liệu của Zheng cho biết, thiết kế robot in 3D cho phép các yếu tố kích hoạt được bố trí chính xác trên toàn bộ robot, thực hiện các chuyển động nhanh, phức tạp, thời gian dài trên nhiều loại địa hình. Sử dụng hiệu ứng áp điện hai chiều, vật liệu robot có thể tự nhận biết chuyển động, phát hiện chướng ngại vật bằng âm thanh phản hồi và phát xạ siêu âm, phản ứng với các kích thích bên ngoài thông qua vòng điều khiển phản hồi xác định cách di chuyển, tốc độ di chuyển và phương hướng di chuyển tới mục tiêu.

Sử dụng kỹ thuật này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo và trình diễn ba "meta-bot" với những khả năng khác nhau. Một robot có thể cơ động điều hướng xung quanh các góc hình chữ S và các chướng ngại vật đặt ngẫu nhiên, robot thứ hai có thể thoát ra khi có va chạm tiếp xúc, robot thứ ba có thể đi qua địa hình gồ ghề và thực hiện các bước nhảy.

Các tác giả UCLA khác của nghiên cứu là nghiên cứu sinh TS Desheng Yao, Ryan Hensleigh, Zhenpeng Xu và Haotian Lu; nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Ariel Calderon; liên kết kỹ thuật phát triển Zhen Wang. Các tác giả khác là Sheyda Davaria, nghiên cứu tại Virginia Tech; Patrick Mercier, PGS kỹ thuật điện và máy tính tại UC San Diego; Pablo Tarazaga, GS kỹ thuật cơ khí tại Đại học Texas A&M.

Nghiên cứu được tài trợ từ Giải thưởng Khoa trẻ và Giải thưởng Học bổng Giám đốc của Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng Mỹ (DARPA), Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Mỹ, Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân và Quỹ Khoa học Quốc gia.

Tiến bộ này kết hợp các kỹ thuật in 3D do Zheng và Hensleigh phát triển trước đó tại Virginia Tech, công ty nắm giữ bằng sáng chế. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch nộp thêm một bằng sáng chế thông qua Nhóm Phát triển Công nghệ UCLA cho phương pháp luận mới được phát triển tại UCLA.