Các nhà nghiên cứu đã thiết kế các nhóm robot hoạt động như vật liệu thông minh với hình dạng và sức mạnh có thể điều chỉnh, mô phỏng các hệ thống sống. "Chúng tôi đã tìm ra cách để robot hoạt động giống vật liệu hơn", Matthew Devlin, cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của giáo sư kỹ thuật cơ khí Elliot Hawkes thuộc Đại học California, Santa Barbara (UCSB), và là tác giả chính của bài báo được công bố trên tạp chí Science, cho biết.
Hình ảnh nghệ thuật mô tả một tập hợp các robot giống như vật liệu tạo thành một thiết bị cứng. Tín dụng: Brian Long, Đại học California Santa Barbara
Được tạo thành từ các robot tự động hình đĩa trông giống như những chiếc đĩa khúc côn cầu nhỏ, các thành viên của tập thể được lập trình để tự lắp ráp thành nhiều hình dạng khác nhau với độ bền vật liệu khác nhau.
Một thách thức mà nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm là tạo ra một vật liệu rô-bốt vừa cứng vừa bền, nhưng vẫn có thể chảy khi cần một hình dạng mới. Hawkes giải thích rằng "Vật liệu rô-bốt phải có khả năng định hình và giữ nguyên hình dạng đó", "nhưng cũng có khả năng tự chảy có chọn lọc thành một hình dạng mới". Tuy nhiên, khi rô-bốt được giữ chặt với nhau trong một nhóm, thì không thể định hình lại nhóm theo cách có thể chảy và thay đổi hình dạng theo ý muốn. Cho đến bây giờ.
Để lấy cảm hứng, các nhà nghiên cứu đã tham khảo công trình trước đây về cách phôi thai được định hình về mặt vật lý của Otger Campàs, cựu giáo sư UCSB và hiện là giám đốc của Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) tại Đại học Công nghệ Dresden.
"Mô phôi sống là vật liệu thông minh tối thượng", ông nói. "Chúng có khả năng tự định hình, tự chữa lành và thậm chí kiểm soát sức mạnh vật chất của chúng trong không gian và thời gian".
Khi còn ở UCSB, phòng thí nghiệm của ông đã phát hiện ra rằng phôi có thể tan chảy như thủy tinh để tự định hình. "Để tạo hình phôi, các tế bào trong mô có thể chuyển đổi giữa trạng thái lỏng và rắn; một hiện tượng được gọi là chuyển đổi độ cứng trong vật lý", ông nói thêm.
Trong quá trình phát triển của phôi, các tế bào có khả năng đáng chú ý là sắp xếp xung quanh nhau, biến cơ thể từ một khối tế bào chưa phân hóa thành một tập hợp các hình dạng riêng biệt - như tay và chân - và có nhiều độ đặc khác nhau, như xương và não.
Chức năng của các nhóm rô bốt tối thiểu 4 và 3 đơn vị. Trình diễn quá trình chuyển đổi T1 được kiểm soát với 4 đơn vị và trình diễn lực giới hạn thay đổi với 3 đơn vị. Quá trình chuyển đổi T1 của 4 đơn vị nằm trên bề mặt PVC mờ nằm ngang. Trình diễn 3 đơn vị nằm trên cùng bề mặt PVC mờ đó, nhưng được định hướng theo chiều dọc. Nhóm 3 đơn vị nằm trên kênh chữ U bằng nhôm. Các video này đi kèm với các hình ảnh tĩnh trong Hình 2. Chiều rộng của rô bốt trên PCB màu xanh lá cây là 70mm. Tín dụng: Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads7942
Các nhà nghiên cứu tập trung vào việc kích hoạt ba quá trình sinh học đằng sau những chuyển đổi độ cứng này: các lực hoạt động mà các tế bào đang phát triển tác động lên nhau cho phép chúng di chuyển xung quanh; tín hiệu sinh hóa cho phép các tế bào này phối hợp chuyển động của chúng trong không gian và thời gian; và khả năng bám dính vào nhau, điều cuối cùng mang lại độ cứng cho hình dạng cuối cùng của sinh vật.
Trong thế giới robot, tương đương với sự kết dính tế bào-tế bào đạt được bằng nam châm, được tích hợp vào chu vi của các đơn vị robot. Những nam châm này cho phép các robot bám chặt vào nhau và toàn bộ nhóm hoạt động như một vật liệu cứng. Các lực bổ sung giữa các tế bào được mã hóa thành các lực tiếp tuyến giữa các đơn vị robot, được kích hoạt bởi tám bánh răng cơ giới dọc theo bên ngoài hình tròn của mỗi robot.
Bằng cách điều chỉnh các lực này giữa các rô-bốt, nhóm nghiên cứu có thể cho phép tái cấu hình trong các tập thể hoàn toàn bị khóa và cứng nhắc, cho phép chúng định hình lại. Việc đưa vào các lực liên đơn vị động đã vượt qua thách thức biến các tập thể rô-bốt cứng nhắc thành vật liệu rô-bốt dễ uốn, phản ánh các mô phôi sống.
Trong khi đó, tín hiệu sinh hóa giống như một hệ thống tọa độ toàn cầu. "Mỗi tế bào 'biết' đầu và đuôi của mình, do đó, nó biết cách bóp và tác dụng lực", Hawkes giải thích. Theo cách này, tập hợp các tế bào có thể thay đổi hình dạng của mô, chẳng hạn như khi chúng xếp hàng cạnh nhau và kéo dài cơ thể. Trong các rô-bốt, kỳ tích này được thực hiện bằng các cảm biến ánh sáng ở phía trên mỗi rô-bốt, với các bộ lọc phân cực.
Khi ánh sáng chiếu vào các cảm biến này, sự phân cực của ánh sáng sẽ cho chúng biết hướng quay bánh răng và do đó thay đổi hình dạng như thế nào. "Bạn có thể chỉ cần cho tất cả chúng cùng một lúc dưới một trường ánh sáng không đổi hướng bạn muốn chúng đi, và tất cả chúng có thể xếp hàng và làm bất cứ điều gì chúng cần làm", Devlin nói thêm.
Với tất cả những điều này trong đầu, các nhà nghiên cứu đã có thể điều chỉnh và kiểm soát nhóm robot để hoạt động như một vật liệu thông minh: các phần của nhóm sẽ bật lực động giữa các robot và làm cho tập thể trở nên lưu động, trong khi ở các phần khác, các robot chỉ đơn giản là giữ chặt nhau để tạo ra một vật liệu cứng. Việc điều chỉnh các hành vi này trên toàn bộ nhóm robot theo thời gian cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra các vật liệu robot có thể chịu được tải trọng lớn nhưng cũng có thể định hình lại, thao tác các vật thể và thậm chí tự phục hồi.
Hiện tại, nhóm rô-bốt chứng minh khái niệm bao gồm một tập hợp nhỏ các đơn vị tương đối lớn (20). Tuy nhiên, các mô phỏng do cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Sangwoo Kim thực hiện tại phòng thí nghiệm Campàs, và hiện là trợ lý giáo sư tại EPFL, chỉ ra rằng hệ thống có thể được mở rộng thành số lượng lớn hơn các đơn vị thu nhỏ. Điều này có thể cho phép phát triển các vật liệu rô-bốt bao gồm hàng nghìn đơn vị, có thể có vô số hình dạng và điều chỉnh các đặc điểm vật lý của chúng theo ý muốn, thay đổi khái niệm về các vật thể mà chúng ta có ngày nay.
Ngoài các ứng dụng ngoài robot, chẳng hạn như nghiên cứu vật chất hoạt động trong vật lý hoặc hành vi tập thể trong sinh học, sự kết hợp giữa các nhóm robot này với các chiến lược học máy để điều khiển chúng có thể tạo ra khả năng đáng chú ý trong vật liệu robot, biến giấc mơ khoa học viễn tưởng thành hiện thực.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
