Robot sứa dọn đại dương trong tương lai

Một trong những chiến thuật được sử dụng để chống lại hàng núi chất thải đang tồn tại trong những hệ sinh thái vô cùng nhạy cảm này (nhất là trong các rặng san hô) là sử dụng robot để thực hiện công cuộc dọn dẹp. Tuy nhiên, các robot dưới nước hiện phần lớn đều rất cồng kềnh và có hình thể cứng nhắc, chúng không thể thăm dò và lấy mẫu trong những môi trường phức tạp và phi cấu trúc. Đồng thời, động cơ điện và máy bơm thủy lực khiến nó rất ồn ào khi hoạt động.

Điều này đã thúc đẩy nhóm nghiên cứu tại Viện Max Planck về Hệ thống thông minh tại Stuttgart tiến hành chế tạo một loại robot dưới nước, với hy vọng một ngày nào đó con robot này có thể hỗ trợ làm sạch đại dương của chúng ta.

Theo một bài báo được công bố trên tạp chí Science Advances, để chế tạo con robot này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng thiết bị truyền động điện thủy lực cho dòng điện chạy qua. Bộ truyền động đóng vai trò là các cơ nhân tạo để robot hoạt động. Bao quanh những cơ này là lớp nệm hơi cùng các bộ phận mềm và cứng giúp ổn định robot và khiến nó không thấm nước. Bằng cách này, dòng điện cao thế chạy qua các bộ truyền động không thể tiếp xúc với môi trường nước xung quanh.

Một nguồn điện định kỳ truyền điện thông qua các dây dẫn mỏng, khiến các cơ co lại và giãn ra. Điều này cho phép robot uyển chuyển bơi trong nước và tạo ra các vòng xoáy bên dưới cơ thể.

“Khi một con sứa bơi lên trên, nhờ tạo ra dòng điện xung quanh cơ thể, nó có thể bẫy các vật thể theo cùng đường đi. Bằng cách này, nó cũng có thể thu thập chất dinh dưỡng. Sử dụng cách tương tự, robot của chúng tôi sẽ luân chuyển nước xung quanh nó. Chức năng này rất hữu ích trong việc thu thập các vật thể, chẳng hạn như các hạt chất thải. Tiếp theo, nó có thể vận chuyển rác lên bề mặt, tại đây rác thải sẽ được thu lại và tái chế. Robot sứa cũng có thể thu thập các mẫu sinh học mỏng manh như trứng cá. Trong quá trình này, nó không gây tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh. Sự tương tác với các loài thủy sinh diễn ra nhẹ nhàng và gần như không có tiếng ồn”, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Tianlu Wang tại Khoa Trí tuệ vật lý giải thích, anh cũng là tác giả chính của nghiên cứu này.

Robot sứa có khả năng di chuyển và bẫy các vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp, chúng có thể hoạt động đơn lẻ hoặc kết hợp với nhiều con robot khác. Mỗi robot hoạt động nhanh hơn so với các phát minh tương tự khác, đạt được tốc độ lên tới 6,1 cm/s. Hơn nữa, robot sứa chỉ yêu cầu công suất đầu vào thấp, là khoảng 100 mW.

Và nó an toàn cho con người và cá kể cả khi một ngày nào đó vật liệu polyme cách điện cho robot bị hư hại. Trong khi đó, con robot không phát ra tiếng ồn quá lớn. Nhờ thế, robot sứa tương tác nhẹ nhàng với môi trường mà không gây xáo trộn nơi đây – giống như những sinh vật tự nhiên sống dưới nước vậy.

Robot sứa được cấu thành từ nhiều lớp: một số lớp làm cho nó có độ cứng, những lớp khác dùng để cách điện hoặc giữ cho nó trôi nổi được trong nước. Một lớp polyme nữa có chức năng như một lớp vỏ nổi. Các cơ nhân tạo chạy bằng điện gọi là HASEL được lồng ghép vào giữa các lớp khác nhau. HASEL là các túi nhựa chứa chất điện môi lỏng được bao phủ một phần bởi các điện cực. Cho điện cao áp chạy qua điện cực sẽ nạp cho nó điện tích dương, còn nước xung quanh sẽ mang điện tích âm.

Điều này sẽ tạo ra một lực giữa điện cực tích điện dương và nước tích điện âm. Lực tạo ra đẩy dầu bên trong các túi qua lại, khiến các bộ truyền động thực hiện chuyển động co bóp y hệt con sứa. Các cơ HASEL có thể duy trì ứng suất điện cao do các điện cực tích điện tạo ra, và được bảo vệ chống nước bằng một lớp cách điện. Điều này có tầm quan trọng vô cùng lớn bởi vì các cơ HASEL chưa từng được sử dụng để chế tạo robot hoạt động dưới nước.

Bước đầu tiên là phát triển sứa robot có một điện cực với sáu cánh tay. Ở bước thứ hai, nhóm nghiên cứu đã chia điện cực đơn thành các nhóm riêng biệt để kích hoạt chúng một cách độc lập.

“Chúng tôi đã làm cho robot có khả năng thu giữ vật thể bằng cách khiến bốn cánh tay hoạt động như một chân vịt và hai cánh tay còn lại hoạt động như một dụng cụ kẹp. Hoặc chỉ khởi động một cánh tay để điều khiển robot theo các hướng khác nhau. Chúng tôi cũng đã xem xét cách vận hành một nhóm gồm nhiều robot diễn ra như thế nào. Chẳng hạn, điều khiển hai con robot phối hợp với nhau để nhặt một vật phẩm phức tạp hơn như chiếc khẩu trang lên, thao tác này sẽ rất khó nếu chỉ dùng một con robot thôi. Hai robot cũng có thể hợp tác để thu giữ và vận chuyển những vật nặng. Tuy nhiên, tại thời điểm này, sứa robot vẫn cần nối với một sợi dây điện. Đây là một hạn chế nếu vào một ngày nào đó chúng tôi thực sự đưa nó ra sử dụng trong đại dương,” đồng tác giả Hyeong-Joon Joo từ Khoa Vật liệu Robot nói.

Có lẽ robot nối dây điện sẽ sớm lùi vào dĩ vãng. “Chúng tôi nhắm tới mục đích phát triển robot không dây. May mắn thay, nhóm nghiên cứu đã đạt được bước đầu tiên hướng tới mục tiêu này. Chúng tôi đã kết hợp tất cả các module chức năng như pin và các bộ phận giao tiếp không dây. Như vậy, việc vận hành robot sứa không dây sẽ được thực hiện trong tương lai không xa”, tác giả Tianlu Wang chia sẻ.

Nhóm nghiên cứu đã gắn một bộ phận nổi ở phía trên cùng của robot, còn pin và bộ vi điều khiển nằm ở phía dưới. Trong một lần thử nghiệm, họ đã cho robot sứa bơi trong hồ ở khuôn viên Viện Max Planck Stuttgart và có thể điều khiển nó thành công. Hiện nay, nhóm nghiên cứu vẫn đang tiến hành các cải tiến để sứa robot có thể vận hành trong môi trường đại dương đầy biến động. Các tác giả tự tin cho biết sẽ không mất quá lâu để robot sứa không dây thành hiện thực.