Các nhà khoa học tại Viện Max Planck về Hệ Thống Thông Minh (MPI-IS) đã phát triển các thành phần robot chạy bằng điện, gọi là module HEXEL, có khả năng kết nối với nhau và tạo thành những robot có tốc độ cao và có thể cấu hình lại theo nhu cầu. Các nam châm được nhúng bên ngoài các module cho phép chúng kết nối cơ học và điện với nhau, tạo thành những robot có nhiều hình dạng và khả năng khác nhau. Công nghệ này đặc biệt hứa hẹn cho các môi trường hạn chế về tài nguyên, như các nhiệm vụ trong không gian hoặc cứu hộ, và có thể giúp tạo ra các robot từ những phần dư thừa, góp phần thúc đẩy thiết kế robot bền vững.
Giới thiệu
Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành robot học, một vấn đề nổi cộm là tính đa năng và khả năng tái cấu trúc của các hệ thống robot hiện đại. Trong nhiều môi trường làm việc khác nhau, như cứu hộ khẩn cấp hoặc khám phá không gian, nhu cầu về những robot có khả năng linh hoạt, bền bỉ và có thể thích ứng nhanh chóng là vô cùng cần thiết. Nhằm đáp ứng nhu cầu này, các nhà khoa học tại Viện Max Planck về Hệ Thống Thông Minh (MPI-IS) đã phát triển các module robot hình lục giác, được gọi là HEXEL, có thể thay đổi hình dạng và kết nối với nhau để tạo thành các robot có tốc độ cao và có thể cấu hình lại theo nhu cầu.
1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Các module HEXEL có hình lục giác, với mỗi module được làm từ sáu tấm cứng nhẹ, chất liệu từ sợi thủy tinh. Bên trong, các khớp nối của hình lục giác được điều khiển bởi cơ nhân tạo HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic – cơ nhân tạo tĩnh điện tự phục hồi được khuếch đại thủy lực). Khi được áp điện áp cao, cơ HASEL kích hoạt, xoay các khớp nối và thay đổi hình dạng của module từ dạng dài hẹp sang dạng rộng phẳng.
Công nghệ này cho phép các module kết hợp cả các thành phần mềm và cứng, giúp đạt được chuyển động nhanh và linh hoạt. Sự kết hợp này không chỉ cho phép tốc độ cao mà còn tạo ra những cú nhảy dài, điều mà các thiết kế robot truyền thống gặp khó khăn. Bên cạnh đó, nhờ tích hợp nam châm dọc theo các cạnh, các module có thể dễ dàng kết nối với nhau, tạo ra các hình dạng và cấu trúc robot khác nhau.
2. Khả năng tái cấu trúc linh hoạt
Điểm nổi bật của các module HEXEL là khả năng cấu hình lại. Điều này có nghĩa là, từ các thành phần giống nhau, các nhà khoa học có thể tạo ra nhiều loại robot với các hình dạng và chức năng khác nhau. Ví dụ, trong một thí nghiệm, một nhóm các module HEXEL có thể bò qua các khe hẹp. Trong một thử nghiệm khác, một module đơn lẻ có thể kích hoạt nhanh đến mức bật lên không trung, thể hiện sự linh hoạt và tốc độ đáng kinh ngạc của nó.
Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm kết nối nhiều module lại với nhau để tạo ra những cấu trúc lớn hơn, từ đó tạo ra các chuyển động đa dạng hơn. Một ví dụ cụ thể là họ đã ghép nhiều module thành một robot có thể lăn với tốc độ cao. Điều này minh chứng cho khả năng sáng tạo trong thiết kế robot đa dạng từ cùng một hệ thống module cơ bản.
3. Ưu điểm và ứng dụng tiềm năng
Một trong những điểm mạnh của HEXEL là khả năng tái cấu trúc linh hoạt, điều này giúp tăng cường tính bền vững trong thiết kế robot. Thay vì phải phát triển nhiều loại robot khác nhau cho các nhiệm vụ riêng lẻ, công nghệ này cho phép tái sử dụng các thành phần chung để tạo ra các robot khác nhau. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các môi trường hạn chế về tài nguyên, chẳng hạn như trong các sứ mệnh khám phá không gian hoặc các tình huống cứu hộ khẩn cấp. Trong các nhiệm vụ không gian, việc gửi nhiều loại robot khác nhau sẽ đòi hỏi chi phí lớn, trong khi các module HEXEL có thể giúp giảm thiểu nhu cầu này bằng cách cho phép tái cấu trúc robot theo tình huống cụ thể.
Cũng tương tự, trong các nhiệm vụ cứu hộ, HEXEL có thể giúp tạo ra những robot nhỏ gọn, có khả năng luồn lách qua các không gian chật hẹp để tìm kiếm và cứu nạn, sau đó cấu hình lại để thực hiện các nhiệm vụ khác, như vận chuyển hàng hóa hoặc cứu thương.
Ví dụ thực tiễn về lợi ích này có thể thấy qua một thử nghiệm thực hiện trong môi trường mô phỏng không gian: các module HEXEL đã được cấu hình lại để chuyển từ dạng robot leo tường sang robot có khả năng lăn nhanh, thích ứng với những thay đổi về địa hình.
4. Tính bền vững và thiết kế robot
Khả năng tái cấu trúc không chỉ mang lại tính linh hoạt mà còn góp phần vào việc tạo ra các hệ thống robot bền vững hơn. Thay vì phải phát triển và sản xuất nhiều loại robot khác nhau, các kỹ sư chỉ cần phát triển một số lượng nhỏ các thành phần cơ bản, sau đó tái sử dụng chúng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Điều này không chỉ giảm thiểu lãng phí mà còn giúp giảm chi phí sản xuất và bảo trì.
Trong một bài báo được công bố, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hệ thống robot có thể cấu hình lại như HEXEL có thể mang lại hiệu suất cao hơn từ 30% đến 50% trong các môi trường hạn chế tài nguyên, so với các hệ thống robot truyền thống. Điều này không chỉ quan trọng trong ngành công nghiệp robot mà còn có ý nghĩa rộng lớn hơn trong việc phát triển các hệ thống công nghệ thân thiện với môi trường.
5. Kết luận và triển vọng trong tương lai
Công nghệ HEXEL đại diện cho một bước tiến quan trọng trong việc phát triển các hệ thống robot linh hoạt và bền vững. Với khả năng tái cấu trúc và tốc độ cao, các module HEXEL hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ thám hiểm không gian, cứu hộ khẩn cấp cho đến các ứng dụng trong công nghiệp và y tế.
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu tại MPI-IS dự định tiếp tục phát triển và hoàn thiện công nghệ này, nhằm tăng cường khả năng ứng dụng thực tiễn và mở rộng các tiềm năng của HEXEL trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Bên cạnh đó, việc kết hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) vào quá trình điều khiển các module này có thể giúp tăng cường tính tự động hóa và hiệu quả trong việc xây dựng các hệ thống robot thông minh.
Chú thích thuật ngữ:
- HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic): Cơ nhân tạo tĩnh điện tự phục hồi được khuếch đại thủy lực.
- Module HEXEL: Các thành phần robot hình lục giác có thể kết nối lại với nhau để tạo thành những robot có tốc độ cao và cấu hình lại theo nhu cầu.
Tài liệu tham khảo:
Zachary Yoder, Ellen H. Rumley, Ingemar Schmidt, Philipp Rothemund, Christoph Keplinger. Hexagonal electrohydraulic modules for rapidly reconfigurable high-speed robots. Science Robotics, 2024; 9 (94) DOI: 10.1126/scirobotics.adl3546.