Bình xịt từ tính biến đổi vật thể thành robot mini

Tiến sĩ Shen Yajing (giữa) và các đồng sự.

Được thúc đẩy bởi từ trường, các vật thể trên có thể bò, đi bộ hoặc lăn trên nhiều bề mặt khác nhau. Công nghệ này thể hiện tiềm năng cho nhiều ứng dụng hữu ích.

Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Shen Yajing Khoa Kỹ thuật Y sinh (BME) của CityU phối hợp với Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến (SIAT), Viện Khoa học Trung Quốc (CAS) dẫn đầu. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Science Robotics.

Lập trình lại theo yêu cầu

Các nhà khoa học đã và đang phát triển những robot mini hoặc robot kích cỡ côn trùng để có thể thích ứng với những môi trường khác nhau cho các ứng dụng khám phá và y sinh.

Nhóm nghiên cứu của TS Shen đã đưa ra cách tiếp cận đơn giản để tạo thành các robot mini bằng cách phủ lên các vật thể một chất phun từ tính giống như keo tổng hợp được gọi là M-spray.

Được cấu tạo từ polyvinyl alcohol (PVA), gluten và các hạt sắt, M-spray có thể bám dính vào các bề mặt thô và mịn của các đối tượng 1, 2 hay 3 chiều ngay lập tức một cách ổn định và chắc chắn. Lớp màng mà nó hình thành trên bề mặt chỉ dày khoảng 0,1 đến 0,25mm, đủ mỏng để bảo toàn kích thước, hình thức và cấu trúc ban đầu của vật thể.

Sau khi phủ lên vật thể bằng M-spray, các nhà nghiên cứu đã từ hóa nó theo hướng từ hóa đơn hoặc nhiều hướng, có thể điều khiển cách vật thể chuyển động theo từ trường. Sau đó, họ cho nhiệt vào vật thể cho tới khi lớp phủ cứng lại.

Bằng cách này, khi được điều khiển bởi từ trường, các vật thể có thể được biến đổi thành robot mini với các chế độ chuyển động khác nhau, như bò, lật, đi và lăn trên nhiều bề mặt khác nhau từ kính, da, gỗ đến cát.

Nhóm đã chứng minh tính năng này bằng cách chuyển đổi sợi bông (1 chiều), giấy gấp origami (mặt phẳng 2 chiều), phim polydimethylsiloxane (PDMS) (mặt cong/mềm 2D) và ống nhựa (vật thể tròn 3D) thành robot bò sát mềm, robot nhiều chân, robot biết đi và robot lăn tương ứng.

Điều làm cho cách tiếp cận này trở nên đặc biệt là nhóm có thể lập trình lại chế độ vận động của robot mini theo yêu cầu. Một đồng tác giả là ông Yang Xiong đã giải thích rằng thông thường, cấu trúc ban đầu của robot thường được cố định sau khi nó được chế tạo, do đó tính linh hoạt của nó bị hạn chế trong chuyển động.

Tuy nhiên, bằng cách làm ướt hoàn toàn lớp phủ M-spray đã đặc cứng để làm nó kết dính như keo và sau đó bằng cách tác dụng từ trường mạnh, khiến sự phân bố và hướng liên kết của các hạt từ tính của lớp phủ M-spray có thể bị thay đổi.

Các thí nghiệm của họ cho thấy rằng cùng một robot mini có thể chuyển đổi giữa các chế độ chuyển động khác nhau, chẳng hạn như từ chuyển động sâu bướm 3D nhanh hơn trong môi trường rộng rãi sang chuyển động xếp lại 2D chậm hơn để đi qua một khe hẹp.

Khả năng điều hướng và phân hủy

Tính năng hành động có thể tái lập trình lại này cũng hữu ích cho việc điều hướng robot đến mục tiêu. Để khám phá tiềm năng trong các ứng dụng y sinh, nhóm đã thực hiện các thí nghiệm với một ống thông, được sử dụng rộng rãi để đưa vào cơ thể giúp điều trị bệnh hoặc thực hiện các thủ thuật phẫu thuật.

Họ đã chứng minh rằng ống thông được phủ M-spray có thể thực hiện các chuyển động sắc nét hoặc trơn tru. Bên cạnh đó, tác động của dòng máu hay dịch lỏng lên khả năng chuyển động và sự ổn định của ống thông được phủ M-spray đã bị hạn chế.

Bằng cách tái lập trình lớp phủ M-spray cho các phần khác nhau của sợi bông dựa trên nhiệm vụ vận chuyển và môi trường, họ cho thấy, nó có thể đạt được khả năng lái nhanh và đi qua một cấu trúc hẹp bất thường.

Tiến sĩ Shen chỉ ra rằng từ quan điểm của ứng dụng lâm sàng, điều này có thể ngăn chặn nó lao bất ngờ vào thành họng trong quá trình đặt ống. “Việc tái lập trình dựa trên nhiệm vụ mang lại tiềm năng đầy hứa hẹn cho việc điều khiển ống thông trong thực quản, mạch máu và niệu đạo phức tạp, nơi luôn cần phải điều hướng” – ông nói.

Một tính năng quan trọng khác của công nghệ này là lớp phủ M-sray có thể được phân hủy thành bột theo yêu cầu với sự điều khiển của từ trường. Theo Tiến sĩ Shen, tất cả các nguyên liệu thô của M-spray đều tương thích sinh học và có thể bị phân hủy trước khi cơ thể con người hấp thụ hoặc đào thải ra ngoài.

Tiến sĩ Shen cho rằng, các robot mini khác nhau có thể được chế tạo với M-spray thích ứng với môi trường, điều kiện bề mặt và chướng ngại vật khác nhau. Chúng tôi hy vọng chiến lược xây dựng này có thể đóng góp vào sự phát triển và ứng dụng của robot mini trong các lĩnh vực khác nhau như giao thông chủ động, cảm biến và thiết bị di động thực hiện những nhiệm vụ trong không gian bị giới hạn.

Bằng cách khoác lên “chiếc áo” từ tính, chúng tôi có thể biến bất kỳ vật thể nào thành robot và điều khiển chuyển động của chúng. M-spray mà chúng tôi phát triển có thể dính vào đối tượng được nhắm mục tiêu và kích hoạt “đối tượng khi được điều khiển bằng từ trường - Tiến sĩ Shen Yajing.