Các nhà khoa học Hàn Quốc vừa tạo ra một loại “cơ nhân tạo” có khả năng co giãn, cứng mềm linh hoạt và mạnh mẽ đến mức khiến giới robot học kinh ngạc: chỉ với 1,2 gram vật liệu, nó có thể nâng tới 5 kg, tương đương gấp 4.000 lần trọng lượng bản thân.
Công trình đột phá này đến từ Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) tại Hàn Quốc, được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials . Theo nhóm nghiên cứu, loại cơ mới này là một dải vật liệu nhỏ, mềm dẻo nhưng có thể “thay đổi tính cách” chỉ trong chớp mắt: từ dẻo dai như cao su sang cứng rắn như thép và cung cấp năng lượng cơ học mạnh gấp nhiều lần mô cơ của con người.
Khi ở trạng thái mềm, nó có thể giãn ra tới 12 lần chiều dài ban đầu, co lại với lực căng lên đến 86,4%, gấp đôi khả năng co cơ của người thật. Khi chuyển sang trạng thái cứng, dải vật liệu 1,2 gram này chịu được tải trọng lên tới 5 kg mà không hề hư hại.
Nhóm nghiên cứu cho biết mật độ công suất của loại cơ này – tức năng lượng cơ học mà nó có thể tạo ra có thể đạt 1.150 kJ/m 3 , cao hơn 30 lần so với mô cơ sinh học.
Giải bài toán khó của robot mềm
Từ trước đến nay, giới khoa học đã gặp phải bài toán nan giải trong việc phát triển cơ nhân tạo: vật liệu mềm thì linh hoạt nhưng yếu, còn vật liệu cứng thì mạnh mẽ nhưng kém uyển chuyển. Robot mềm với các xúc tu silicon hoặc kẹp bơm hơi thường có thể uốn cong nhẹ nhàng, nhưng lại bất lực trước những vật nặng. Chính sự đánh đổi giữa “độ mềm dẻo” và “sức mạnh” này khiến robot khó đạt đến trình độ như cơ thể con người.
Nhóm UNIST đã tìm ra lối thoát bằng cách kết hợp polymer thông minh với hạt từ tính siêu nhỏ, tạo ra một vật liệu có thể kiểm soát cả độ cứng và hình dạng chỉ bằng nhiệt và từ trường. Khi được làm nóng, vật liệu trở nên mềm dẻo và dễ biến dạng; khi nguội, nó tự khóa lại ở hình dạng mong muốn, cứng chắc như nhựa kỹ thuật.
Bí mật nằm ở “cấu trúc kép” và nam châm siêu nhỏ
Cơ nhân tạo của UNIST được cấu thành từ một loại polymer nhớ hình từ tính , có khả năng “nhớ” hình dạng ban đầu và tự phục hồi khi được kích hoạt bằng nhiệt. Vật liệu nền là stearyl methacrylate – một dạng nhựa đặc biệt được “liên kết chéo” bằng ethylene glycol dimethacrylate, giúp nó vừa bền vừa dẻo.
Điểm đặc biệt nằm ở thiết kế “hai mạng lưới” chồng chéo: một mạng hóa học vĩnh viễn giúp duy trì độ bền, và một mạng vật lý có thể kết tinh – tan chảy linh hoạt. Khi kết tinh, vật liệu trở nên cứng như thủy tinh; khi tan chảy, nó mềm ra như cao su.
Nhóm nghiên cứu còn thêm vào đó các hạt từ tính neodymium-sắt-boron phủ silica, giúp vật liệu phản ứng với từ trường. Khi tiếp xúc với từ trường mạnh, các hạt này xếp thành hàng, tạo ra một “hướng từ” riêng biệt, giống như trí nhớ cơ bắp. Nhờ đó, cơ có thể được “lập trình” để uốn cong, cuộn tròn hay co giãn theo ý muốn, rồi cố định lại khi nguội.
Giáo sư Hoon Eui Jeong , người đứng đầu nhóm nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi đã khắc phục được giới hạn cơ bản của cơ nhân tạo truyền thống vốn chỉ mạnh hoặc chỉ mềm. Vật liệu mới này có thể làm được cả hai, mở ra cánh cửa cho những robot mềm, thiết bị đeo và giao diện người-máy trực quan hơn”.
Trong các thí nghiệm, nhóm UNIST đã “huấn luyện” những dải cơ nhân tạo này thực hiện các nhiệm vụ thực tế. Một mô hình tay robot làm từ vật liệu mới có thể nắm lấy và nâng thanh kim loại nặng 115 gram, gấp gần 100 lần trọng lượng của nó chỉ bằng tác động của từ trường và nhiệt.
Trong một thử nghiệm khác, hai dải cơ được gắn song song hoạt động như cặp tay đòn nâng tạ 77 gram ở mỗi bên, tái tạo chuyển động co-duỗi giống hệt cơ tay người.
Những màn trình diễn này không chỉ mang tính minh chứng mà còn thể hiện tiềm năng ứng dụng thực tế. Không giống các hệ thống cơ nhân tạo truyền thống cần máy nén khí hay nguồn điện áp cao, cơ từ tính của UNIST hoạt động độc lập và nhỏ gọn, chỉ cần nguồn nhiệt và từ trường điều khiển.
Các nhà khoa học cho rằng vật liệu này có thể mở ra kỷ nguyên mới cho robot hình người, thiết bị hỗ trợ y học và các bộ đồ exosuit. Nhờ khả năng “biến hình” giữa mềm và cứng, nó có thể tạo nên những bộ trang phục hỗ trợ vận động cho người khuyết tật hoặc người cao tuổi, giúp nâng vật nặng nhưng vẫn linh hoạt khi di chuyển.
Trong y học, loại cơ này có thể được dùng cho các ống thông phẫu thuật có khả năng uốn cong theo cơ thể bệnh nhân, rồi cứng lại để cố định vị trí khi cần thao tác. Còn trong lĩnh vực dân dụng, các robot gia đình tương lai có thể sử dụng cơ nhân tạo để nhẹ nhàng cầm nắm vật dễ vỡ như ly thủy tinh hoặc trái cây mà không làm hư hại.
Thách thức và triển vọng
Dù vậy, công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn đầu. Việc kiểm soát nhiệt độ để làm mềm và cứng vật liệu vẫn còn chậm và tiêu tốn năng lượng, chưa phù hợp với robot hoạt động liên tục. Bên cạnh đó, phạm vi tác động của từ trường cũng hạn chế khi mở rộng quy mô lên robot lớn.
Nhóm UNIST cho biết họ đang tiếp tục cải tiến bằng cách tìm kiếm vật liệu polymer có thể chuyển trạng thái ở nhiệt độ thấp hơn, đồng thời nghiên cứu cơ chế gia nhiệt nhanh hơn như sử dụng tia hồng ngoại hoặc dòng điện cảm ứng.
Dù còn xa mới đến ngày robot hình người có “cơ bắp” như thật, thành tựu này đã đánh dấu một bước tiến lớn. Nó không chỉ giúp thu hẹp khoảng cách giữa máy móc và con người mà còn khơi dậy viễn cảnh về tương lai nơi các robot mềm mại, linh hoạt và thông minh có thể hỗ trợ con người trong y tế, sản xuất và đời sống hàng ngày.
Cơ bắp nhân tạo của UNIST không giải quyết được mọi vấn đề của robot học, nhưng nó đã trả lời một câu hỏi mà khoa học đã theo đuổi suốt nhiều thập kỷ: liệu có thể vừa mềm dẻo như da thịt, vừa mạnh mẽ như máy móc? Câu trả lời, lần này, là có và nó đang dần trở thành hiện thực trong những phòng thí nghiệm tại Hàn Quốc.
