Đột phá công nghệ: Chế tạo robot siêu nhỏ vận hành hoàn toàn bằng sóng âm

Theo tin từ IT ngày 17 tháng 8, trang TechSpot đưa tin hôm nay (17/8) rằng các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Hệ thống Robot vi mô sinh học (MICROBS) thuộc Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tại Lausanne (EPFL) đã phát triển một phương pháp mới để điều khiển robot siêu nhỏ bằng âm thanh. Họ đã chế tạo các loại tàu và thiết bị bay siêu nhỏ sử dụng các khoang in 3D để chuyển đổi âm thanh thành lực đẩy, loại bỏ nhu cầu về động cơ, bánh răng hoặc các bộ phận từ tính, hứa hẹn mang đến giải pháp đẩy nhẹ và đơn giản hơn cho các robot cực nhỏ.

Kết quả nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Science Advances, với nguyên lý cốt lõi là cộng hưởng âm thanh: khi âm thanh ở tần số cụ thể đi vào khoang rỗng, nó sẽ khiến không khí bên trong rung động mạnh. Các khoang được thiết kế đặc biệt sau đó sẽ đẩy một phần không khí ra ngoài theo hướng nhất định, tạo thành các tia phản lực nhỏ, từ đó đẩy toàn bộ thiết bị di chuyển.

Cơ chế đẩy chính là một phần cấu trúc của thiết bị. Trong khi phương pháp treo âm thanh truyền thống thường sử dụng sóng âm từ bên ngoài để đẩy vật thể, giải pháp của EPFL cho phép thiết bị tự hấp thụ năng lượng âm thanh để tạo ra chuyển động. Selman Sakar, người đứng đầu phòng thí nghiệm MICROBS, cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh rằng một bộ phận cơ khí đơn giản với thiết kế thông minh cũng có thể biến thành vật liệu robot."

Nguyên lý này tương tự như việc thổi vào miệng chai. Không khí bên trong chai sẽ rung động ở một tần số nhất định và tạo ra âm thanh; các nhà nghiên cứu đã thiết kế các khoang để chuyển đổi sự rung động này thành luồng khí có hướng xác định nhằm tạo ra lực đẩy.

Nhóm nghiên cứu sử dụng các vật liệu như nhựa in 3D, polymer giống cao su và thủy tinh để chế tạo bộ cộng hưởng. Toàn bộ hệ thống không có động cơ và không cần các bộ phận cơ khí chuyển động khác, do đó kích thước có thể được thu nhỏ hơn nữa.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện trình diễn đầu tiên trên các con tàu siêu nhỏ, mỗi con tàu được lắp tối đa 3 bộ cộng hưởng. Các khoang khác nhau phản ứng với các tần số âm thanh khác nhau và chịu trách nhiệm đẩy tàu di chuyển theo các hướng khác nhau. Chỉ cần thay đổi tần số âm thanh phát ra từ loa, người dùng có thể kích hoạt riêng lẻ từng khoang để điều khiển tàu tiến về phía trước hoặc tránh chướng ngại vật.

Nhóm nghiên cứu cũng đã giúp các con tàu siêu nhỏ đạt được khả năng tự điều hướng. Sau đó, họ sử dụng công nghệ in nano 3D để chế tạo các thiết bị bay siêu nhỏ. Thiết bị bay hoạt động ở tần số siêu âm, vì vậy âm thanh tạo ra từ lực đẩy là không thể nghe thấy bằng tai người.

Một trong những thiết bị bay này chỉ nặng 150 microgram, sử dụng 3 khoang để tạo lực đẩy hướng xuống và cất cánh từ bề mặt giống như tên lửa. Một loại khác sử dụng 3 cánh được sắp xếp xung quanh tâm, mỗi cánh đều được trang bị bộ cộng hưởng và sẽ tạo ra lực đẩy khi gặp tần số tương ứng. Tốc độ quay của cánh đạt tối đa 13.000 vòng/phút, tạo ra lực nâng đủ để toàn bộ thiết bị bay lơ lửng như một chiếc trực thăng siêu nhỏ.

Ở giai đoạn hiện tại, quy mô thí nghiệm vẫn còn rất nhỏ, thiết bị bay siêu nhỏ chỉ bay cao chưa đầy 5mm và các con tàu thí nghiệm cũng rất nhẹ. Tuy nhiên, thí nghiệm đã chứng minh rằng các khoang cộng hưởng hoàn toàn có thể đóng vai trò là hệ thống đẩy cho robot siêu nhỏ.

Giải pháp của EPFL khác với công nghệ tản nhiệt siêu âm như quạt chip xMEMS. Công nghệ sau dựa vào màng áp điện để đẩy không khí, trong khi phương pháp đẩy của EPFL chủ yếu phụ thuộc vào hình dạng của chính khoang cộng hưởng và phản ứng của khoang đó đối với các tần số âm thanh cụ thể.

Theo tìm hiểu của IT, tác giả chính của bài báo, nghiên cứu sinh tiến sĩ Huang Junshan tại phòng thí nghiệm MICROBS giải thích: "Thiết kế của chúng tôi còn có thể được thu nhỏ hơn nữa để tạo ra các cấu trúc tiên tiến hơn, tiếp tục mở rộng ranh giới của công nghệ robot và hàng không."

Sakar cho biết, trong tương lai, có thể tích hợp nhiều bộ cộng hưởng phản ứng với các tần số khác nhau vào một thiết bị, từ đó có thể điều khiển các bộ phận cụ thể của thiết bị di chuyển, uốn cong hoặc rung động, và có khả năng chế tạo thêm các loại robot khí nén có thể thay đổi hình dạng dựa trên âm thanh.