Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc chế tạo robot 'cá đuối sinh học' điều khiển bằng ánh sáng từ cơ ếch

Theo tin từ IT ngày 9 tháng 9, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Robotics thuộc Viện Tự động hóa Thẩm Dương, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lấy cảm hứng từ cơ chế bơi của cá đuối, đã chế tạo thành công một mẫu "robot cá đuối sinh học" điều khiển bằng tia hồng ngoại gần không dây, dựa trên mô cơ xương tách rời của ếch bò.

Nghiên cứu này sử dụng trực tiếp mô sinh học làm bộ truyền động, thuộc lĩnh vực tiên phong trong nghiên cứu robot sinh học. Các kết quả liên quan đã được công bố trên tạp chí học thuật quốc tế Advanced Functional Materials.

Khác với các loại mô cơ xương được kỹ thuật hóa từ tế bào vốn phổ biến trong lĩnh vực này, các nhà nghiên cứu đã đổi mới bằng cách chọn cơ thon (gracilis muscle) tách rời tự nhiên của ếch bò làm lõi truyền động sinh học. Các sợi cơ tự nhiên này được sắp xếp có trật tự, với hiệu suất cơ học co bóp vượt trội hơn so với cơ được tái tạo từ tế bào. Trong điều kiện kích thích điện tối ưu (1Hz, 5V, 10 mili giây mỗi xung), cơ tách rời có thể tạo ra lực co bóp ổn định khoảng 6,5 Newton, với biên độ co bóp khoảng 25%; trong điều kiện giới hạn, lực co bóp đỉnh đạt tới 9,4 Newton. Các thử nghiệm nuôi cấy trong ống nghiệm xác nhận rằng mô cơ xương này có thể duy trì hiệu suất co bóp phản ứng điện trong tối đa 11 ngày và vận hành robot ổn định trong khoảng 7 ngày.

Về khả năng điều khiển không dây, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một kiến trúc tích hợp "laser hồng ngoại gần — chuyển đổi quang điện — kích thích điện thần kinh". Trên lưng robot được tích hợp mô-đun quang điện Gallium Arsenide (GaAs) siêu nhỏ. Thông qua việc chiếu tia laser theo thời gian và phân vùng vào các đơn vị quang điện trái phải, nhóm có thể điều khiển độc lập trình tự co bóp của cơ hai bên, từ đó thực hiện các chuyển động phức tạp với nhiều bậc tự do như đi thẳng, rẽ trái/phải, bơi theo vòng tròn, quay đầu mà không cần dây dẫn bên ngoài, hoàn thiện khả năng điều khiển chính xác dưới nước không dây. Giải pháp này không yêu cầu biến đổi gen đối với mô sinh học.

Kết quả kiểm tra hiệu suất cho thấy, tốc độ bơi thẳng trung bình của robot cá đuối đạt 0,54 chiều dài cơ thể mỗi giây (khoảng 2,7 cm/giây), tốc độ bơi đỉnh tức thời có thể đạt 2 chiều dài cơ thể mỗi giây, thiết lập kỷ lục về tốc độ di chuyển tương đối cao nhất cho robot sinh học được dẫn động bằng mô cơ xương; bán kính quay vòng tối thiểu chỉ bằng 0,8 lần chiều dài cơ thể, tốc độ góc quay tối đa đạt 21 độ mỗi giây, có thể hoàn thành quỹ đạo hình tròn đầy đủ trong khoảng 17 giây. Robot này cũng hỗ trợ khả năng tuần tra trên mặt nước, vận hành dưới nước với tải trọng 5 gram và di chuyển đường cong tốc độ thấp trên bề mặt cứng.

Nhóm nghiên cứu cho rằng, loại robot nhỏ, đẩy bằng vây này phù hợp cho việc giám sát môi trường nước nông và quan sát các sinh vật thủy sinh với độ nhiễu thấp. Ngoài ra, hệ thống tham số kích thích điện cơ được xây dựng có thể cung cấp tài liệu tham khảo thực nghiệm cho các nghiên cứu phục hồi cơ bắp ngoài cơ thể sau tổn thương thần kinh và các hệ thống nuôi cấy kỹ thuật mô động.

Những hạn chế chính hiện nay nằm ở tuổi thọ của mô sinh học và sự phụ thuộc vào năng lượng bên ngoài. Trong bước tiếp theo, nhóm dự định tối ưu hóa hệ thống nuôi cấy cơ tách rời ngoài cơ thể để kéo dài tuổi thọ, phát triển các điện cực màng mỏng linh hoạt giống thần kinh để đạt được sự phân bổ tín hiệu điện đồng đều hơn, đồng thời thử nghiệm kết hợp hệ thống quang điện với bộ lưu trữ năng lượng trên máy để robot có thể lưu trữ năng lượng ánh sáng và sử dụng theo nhu cầu. Nghiên cứu này nhận được sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia và Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm của Bộ Khoa học và Công nghệ Trung Quốc.

IT đính kèm địa chỉ bài báo: https://doi.org/10.1002/adfm.77713