Cánh tay robot mềm chạy bằng tảo, di chuyển nhờ quang hợp

Điều gì sẽ xảy ra nếu một robot có thể mềm mại như cơ bắp? Robot mềm, linh hoạt có thể hữu ích cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ cơ nhân tạo, thiết bị đeo cho đến bất kỳ tình huống nào đòi hỏi sự khéo léo đặc biệt.

Cánh tay robot mềm được phủ tảo sống trên bề mặt

Chính nhu cầu này đã thúc đẩy sự phát triển của các cơ cấu chấp hành mềm (soft actuator) - loại cấu trúc có thể uốn cong như bắp tay và có cảm giác chạm tinh tế như bàn tay người. Giống như robot thông thường, cơ cấu chấp hành mềm chuyển hóa năng lượng - như điện, nhiệt hoặc ánh sáng - thành chuyển động cơ học, nhưng hình dáng của chúng không hề giống những khối kim loại và dây điện mà từ "robot" thường gợi lên.

Một loại robot mềm đặc biệt, gọi là cơ cấu chấp hành sinh học (bioactuator), sử dụng chức năng của tế bào sống để tạo ra chuyển động. Những cỗ máy sinh học này thu hút sự chú ý đặc biệt trong những năm gần đây. Mới đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) đã phát triển một cánh tay robot mềm được tảo sống chiếm cư trên bề mặt, và khi các vi sinh vật này quang hợp, cánh tay sẽ chuyển động.

"Chúng tôi không bắt đầu với một ứng dụng cụ thể. Mục tiêu của chúng tôi luôn là đưa nghiên cứu về vật liệu sống lên tầm cao mới", Marie-Eve Aubin-Tam, người dẫn dắt nghiên cứu, giải thích trong một thông cáo báo chí. "Chúng tôi muốn khám phá điều gì trở nên khả thi khi tế bào sống được tích hợp vào vật liệu chức năng."

Cơ chế hoạt động: độ pH thay đổi theo ánh sáng

Những cánh tay robot tí hon - dài khoảng 1,9 cm và dày cỡ một tấm thẻ tín dụng - được cấu tạo từ hai lớp hydrogel (gel giữ nước) mà tế bào tảo sinh sống trên đó. Một trong hai lớp phản ứng với sự thay đổi độ pH, vốn được điều tiết bởi quá trình trao đổi chất của tảo.

Cánh tay robot mềm uốn cong khi được chiếu sáng

Khi ánh sáng chiếu vào tảo, chúng bắt đầu quang hợp. Nhờ hấp thụ carbon dioxide và cố định đạm trong quá trình này, tảo làm độ pH cục bộ trở nên kiềm hơn, khiến lớp hydrogel phản ứng bị trương lên. Ngược lại, khi trời tối, tảo thải carbon dioxide qua quá trình hô hấp, đưa độ pH trở về phía axit và lớp hydrogel co lại.

Sự chênh lệch thể tích giữa hai lớp hydrogel quyết định độ uốn cong của cánh tay. Theo nhóm nghiên cứu, lớp hydrogel phản ứng với pH thay đổi rõ rệt theo hoạt động của tảo. Trong điều kiện axit, như ở khoảng pH 3 đến 7, lớp này chỉ còn khoảng 37% trọng lượng ban đầu, nhưng tăng gấp bốn lần trọng lượng ban đầu ở pH 11.

Các nhà nghiên cứu khác từng chế tạo robot mềm phản ứng với pH, nhưng thông thường phải thay đổi tính chất hóa học của toàn bộ chất lỏng xung quanh. Với robot tảo thì không như vậy: hoạt động quang hợp chỉ tác động ở phạm vi rất cục bộ, khiến công nghệ này phù hợp hơn với những ứng dụng đòi hỏi tác động tối thiểu đến môi trường.

Chậm nhưng khéo léo

Tuy nhiên, đây chưa phải là những robot nhanh nhất. Phản ứng hóa học bắt đầu khá nhanh, khoảng 20 giây sau khi có ánh sáng và khoảng 10 giây sau khi trời tối, nhưng phải mất vài giờ thì hydrogel mới uốn cong đáng kể.

Cánh tay bốn ngón kẹp và nâng một quả cầu kim loại rỗng

Sau khi chứng minh thành công nguyên mẫu đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thêm nhiều thiết bị tảo khác. Một chiếc là bộ kẹp bốn ngón đóng lại khi tiếp xúc ánh sáng; nó đã kẹp và nâng thành công một quả cầu kim loại rỗng, rồi thả ra khi tắt đèn. Một bộ kẹp hình móc khác có thể nhấc lên và đặt xuống một chiếc vòng cao su. Những vật thể này cực kỳ nhẹ, nhẹ hơn nhiều so với một chiếc kẹp giấy nhỏ, nhưng các cánh tay vẫn kẹp được chúng với độ khéo léo cao.

Những robot mềm này cũng không cần nguồn năng lượng bên ngoài nào khác ngoài ánh sáng và không có bộ phận cơ khí phức tạp. "Vi tảo là những sinh vật giống thực vật, phần lớn có khả năng tự nuôi sống bản thân", Aubin-Tam cho biết. Điều này "mang lại cho cơ cấu chấp hành tiềm năng vận hành lâu dài với đầu vào bên ngoài tối thiểu. Về lý thuyết, sẽ không cần nhiều năng lượng để vận hành một hệ thống dựa trên công nghệ này."

Triển vọng ứng dụng

Về dài hạn, nhóm nghiên cứu hy vọng công trình này sẽ góp phần phát triển những robot mềm tự chủ hơn, phản ứng với môi trường, có thể dùng làm thiết bị nông nghiệp tự động hóa, để điều khiển chất lỏng trong các thiết bị lab-on-a-chip (phòng thí nghiệm thu nhỏ trên chip) hoặc trong bất kỳ hệ thống robot dưới nước nào.

Bộ kẹp hình móc nâng một chiếc vòng cao su

Vì tảo không cần biến đổi gen, công nghệ này không gặp những lo ngại về an toàn sinh học thường đi kèm với các công nghệ dựa trên vi sinh vật. Nếu có gì thì đây là những cỗ máy đặc biệt thân thiện với môi trường, bởi các sinh vật này có thể hấp thụ carbon dioxide từ khí quyển trong khi lấy năng lượng từ ánh sáng mặt trời.

Góc nhìn

Với các kỹ sư và nhà phát triển tại Việt Nam, hướng nghiên cứu này cho thấy robot mềm đang dần thoát khỏi khuôn khổ phòng thí nghiệm để tiến tới những hệ thống gần như tự vận hành, không cần pin hay động cơ phức tạp. Điều đó có ý nghĩa thực tiễn với các nhóm làm thiết bị IoT hoặc robot nông nghiệp, nơi chi phí năng lượng và bảo trì thường là rào cản lớn.

Tuy nhiên, tốc độ phản ứng tính bằng giờ đồng hồ cho thấy công nghệ này chưa phù hợp với các tác vụ cần độ chính xác thời gian thực. Các đội ngũ muốn thử nghiệm có thể bắt đầu từ những bài toán chấp nhận vận hành chậm nhưng ổn định lâu dài, chẳng hạn điều khiển chất lỏng trong phòng thí nghiệm hoặc thiết bị quan trắc môi trường nước - lĩnh vực mà vật liệu sống và khả năng hấp thụ CO2 có thể là lợi thế cạnh tranh thực sự.