Robot côn trùng lần đầu bay có kiểm soát

(khoahoc.tv) - Vào sáng sớm tinh mơ, tại một phòng thí nghiệm robot trường Đại học Harvard mùa hè năm ngoái, một con robot côn trùng thực hiện một chuyến bay. Nó có kích cỡ bằng một nửa chiếc kẹp giấy, nặng chưa đầy một phần mười gam, nhảy một vài inch, bay liệng loạng choạng, vỗ cánh, và sau đó tăng tốc dọc theo một tuyến đường thiết lập sẵn trong không khí.

Như một người cha đầy tự hào dõi theo đứa con bước đi những bước đầu tiên, sinh viên tốt nghiệp Pakpong Chirarattananon ngay lập tức quay lại cảnh nói trên và gửi đoạn video qua email cho giáo viên và các đồng nghiệp của anh vào lúc 3 giờ sáng, với dòng tiêu đề “Chuyến bay của RoboBee” (Flight of the RoboBee).

“Tôi đã rất phấn kích và không thể ngủ được", Chirarattananon nhớ lại, anh là đồng tác giả chính của bài báo được xuất bản trên tạp chí Science tuần này.

Cuộc trình diễn của chuyến bay có kiểm soát đầu tiên của một robot có kích cỡ nhỏ bé như côn trùng là thành tựu của hơn một thập kỷ nghiên cứu, đứng đầu là các nhà nghiên cứu tại trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard (SEAS) và Viện nghiên cứu Công nghệ lấy cảm hứng từ sinh học Wyss tại Harvard.

“Đây là điều mà tôi đã cố thực hiện trong 12 năm qua”, Robert J. Wood, một tác giả khác của nghiên cứu cho biết. “Nó thực sự là duy nhất vì những đột phá gần đây của phòng thí nghiệm này trong sản xuất, vật liệu, và thiết kế mà chúng tôi có thể thử điều này. Và nó đã hoạt động, thật là ngoạn mục”.

Lấy cảm hứng từ các đặc điểm sinh học của ruồi, với giải phẫu dưới kích cỡ mm và hai cánh mỏng dính gần như trong suốt, vỗ cánh 120 lần/s, thiết bị tí xíu này đã thúc đẩy sự đổi mới trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất robot mini thực hiện bởi hàng chục nhà nghiên cứu tại Harvard trong nhiều năm.

“Chúng tôi đã phải phát triển các giải pháp từ đầu, cho tất cả mọi thứ”, Wood giải thích.

”Chúng tôi sẽ có một hợp phần hoạt động, nhưng khi chúng tôi tiếp tục, 5 vấn đề mới có thể phát sinh. Nó là một mục tiêu động”.

Các cơ để bay là một ví dụ, không sẵn phù hợp với các robot có kích cỡ bé như ngòn tay này.

“Các robot lớn có thể chạy trên các động cơ điện, nhưng ở quy mô nhỏ này thì bạn phải lựa chọn, và ở đó chẳng có gì cho bạn chọn cả”, đồng tác giả Kevin Y.Ma, một sinh viên tốt nghiệp tại SEAS nói.

Những con robot nhỏ này vỗ cánh của chúng nhờ các thiết bị truyền động áp điện – các dãy gốm mở ra và co lại khi có điện trường. Các khớp nối bằng nhựa mỏng nằm bên trong thân bằng sợi carbon và một hệ thống kiểm soát cân bằng tinh xảo điều khiển chuyển động quay roto trong vỗ cánh, với mỗi cánh được điều khiển độc lập trong thời gian thực.

Ở quy mô nhỏ, những thay đổi nhỏ trong luồng khí cũng có thể gây tác động mạnh lên chuyến bay, và hệ thống điều khiển phải có phản ứng nhanh hơn để duy trì sự ổn định.

Những robot côn trùng cũng tận dụng được lợi thế của một kỹ thuật được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Wood trong năm 2011. Các tấm gồm rất nhiều các vật liệu được laser cắt sẽ được xếp lớp và kẹp lại với nhau thành một tấm phẳng và mỏng. Sự nhanh chóng, quá trình từng bước thay thế những cái mà đã từng là một nghệ thuật

Nhanh chóng, quá trình từng bước thay thế những cái đã được sử dụng là một nghệ thuật thủ công tỉ mỉ và cho phép nhóm của Wood sử dụng các vật liệu mạnh mẽ hơn trong các kết hợp mới, đồng thời nâng cao độ chính xác tổng thể của mỗi thiết bị.

“Giờ thì chúng tôi có thể nhanh chóng xây dựng các nguyên mẫu đáng tin cậy, điều này cho phép chúng tôi tích cực hơn khi thử nghiệm chúng”, Ma nói, ông cũng cho biết thêm rằng nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm 20 mẫu chỉ trong 6 tháng qua.

Các ứng dụng của dự án RoboBee có thể gồm quan trắc môi trường phân hạng, hoạt động tìm kiếm và cứu hộ, hoặc trợ giúp thụ phấn cho cây trồng, nhưng các vật liệu, các kỹ thuật chế tạo, và các thành phần xuất hiện trong quá trình chế tạo thậm chí có thể quan trọng hơn. Ví dụ như quá trình sản xuất có thể cho phép một lớp các thiết bị y tế phức tạp mới. Văn phòng Phát triển công nghệ của Harvard hợp tác với SEAS Harvard và Viện Wyss, đang trong quá trình thương mại hóa một số công nghệ cơ bản.

“Khai thác sinh học thể giải quyết những vấn đề của thực tế là tất cả những gì về Viện Wyss”, giám đốc sáng lập Viện Wyss, Don Ingber nói. “Công việc này là một ví dụ đẹp về việc các nhà khoa học và các kỹ sư thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau cùng thực hiện nghiên cứu lấy cảm hứng từ thiên nhiên và tập trung vào việc dịch chuyển có thể dẫn đến những đột phá quan trọng về mặt kỹ thuật”.

“Giờ thì chúng tôi đã có nền tảng đặc biệt này, có hàng chục các thử nghiệm mà chúng tôi đang bắt đầu thực hiện, bao gồm cả các diễn tập kiểm soát tích cực hơn và cả việc hạ cánh nữa”, Wood nói.

Sau đó, các bước tiếp theo sẽ liên quan đến hợp nhất các công việc của nhiều nhóm nghiên cứu đang làm việc với phần não của thiết bị, hành vi định hướng, nguồn năng lượng và tiếp tục như vậy cho tới khi các robot côn trùng là hoàn toàn tự động và không cần dây nữa.

Hiện các mẫu robot côn trùng vẫn được buộc bằng một dây cáp điện rất mỏng vì hiện chưa có giải pháp nào để trữ năng lượng có kích cỡ đủ nhỏ để gắn lên thân của robot. Các tế bào nhiên liệu năng lượng mật độ cao sẽ phải được phát triển trước khi Robobee có thể bay độc lập hơn.

Việc kiểm soát robot vẫn cần có một dây dẫn từ máy tính riêng, mặc dù một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi khoa SEAS Gu-Yeon Wei và David Brooks đang nghiên cứu trên một bộ não hiệu quả có thể được gắn lên khung của robot.

“Lũ ruồi có thể thực hiện các hành động nhào lộn tuyệt vời nhất trong tự nhiên mà chỉ sử dụng bộ não nhỏ bé của chúng”, đồng tác giả Sawyer B. Fuller, một nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ trong nhóm của Wood lưu ý. “Khả năng của những côn trùng này vượt quá những gì chúng tôi có thể làm với robot côn trùng, vì vậy chúng tôi muốn nghiên cứu các đặc tính sinh học của chúng kỹ hơn và ứng dụng vào nghiên cứu của chúng tôi”.

Mốc quan trọng của chuyến bay co kiểm soát đầu tiên này đại diện cho khẳng định về những giấc mơ đầy tham vọng – đặc biệt là đối với Wood, người đã theo học cao học khi đặt ra mục tiêu này.

“Dự án này tạo ra động lực chung cho các nhà khoa học và kỹ sư để tạo ra các loại pin nhỏ hơn, thiết kế các hệ thống điều khiển hiệu quả hơn và tạo ra các vật liệu mạnh và nhẹ hơn”, Wood nói

"Bạn có thể không mong đợi tất cả các nhà nghiên cứu, các nhà sinh vật học, các nhà khoa học vật liệu, các kỹ sư điện nghiên cứu cùng nhau. Nhưng họ sẽ cùng thích thú với việc giải quyết các vấn đề phức tạp và khó khăn”.

“Tôi muốn tạo ra một thứ chưa từng có”, Ma thêm vào. “Sự phấn khích thúc đẩy giới hạn của những điều chúng ta có thể làm được, các giới hạn của sự khéo léo của con người”.

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia và Viện Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học tại Đại học Harvard.