Nhiệm vụ của họ là theo dõi tình trạng của các hệ sinh thái, chẳng hạn như trong nền rừng—và biến thành cát bụi khi công việc của họ hoàn thành: tàu lượn sinh học được mô phỏng theo dưa chuột Java, giúp hạt của nó bay cao hàng chục mét trong không khí. Các nhà nghiên cứu của Empa đã phát triển các cảm biến bay bền vững này từ tinh bột khoai tây và chất thải gỗ.
Alexander von Humboldt, Charles Darwin và Ernest Shackleton đã thực hiện nhiều năm hành trình thám hiểm gian khổ để thu thập những ấn tượng ngoạn mục, chưa từng được biết đến trước đây. Ngày nay, những người tiên phong trong quan sát môi trường hiện đại sẽ được thành công nhờ các bộ thu thập dữ liệu hiện đại, nhanh hơn, ghi lại các thông số sinh thái quan trọng trong thời gian thực và không có bất kỳ rủi ro nào.
Do đó, các nhà nghiên cứu của Empa tại phòng thí nghiệm Sustainability Robotics ở Dübendorf đang phát triển các thiết bị bay và cảm biến bền vững, chi phí thấp có thể thu thập dữ liệu môi trường theo cách tiết kiệm năng lượng, liên kết chặt chẽ và tự động ngay cả ở những khu vực không thể tiếp cận, được gọi là tàu lượn sinh học. Nguyên liệu: khoai tây, một ít gỗ vụn và địa y của thợ nhuộm.
Thử nghiệm quỳ trong rừng
Giống như những chiếc lá rơi xuống đất vào mùa thu, chúng lặng lẽ chèo thuyền đến nền rừng : tàu lượn sinh học có cảm biến tích hợp. Tuy nhiên, nhãn "sinh học" áp dụng cho các thiết bị bay mảnh mai theo hai cách: Chúng lấy cảm hứng từ sinh học, vì chúng được mô phỏng theo hạt biết bay của dưa chuột Java, nhưng chúng cũng có thể phân hủy sinh học. Sau khi máy bay không người lái thả hạt cảm biến thông minh, chúng sẽ báo cáo dữ liệu về độ ẩm và độ chua của đất cho đến khi chúng phân hủy và trở thành một với nền rừng.
Nhà nghiên cứu Fabian Wiesemüller của Empa và nhóm của Mirko Kovac từ phòng thí nghiệm Người máy bền vững muốn sử dụng dữ liệu từ hạt giống thông minh để theo dõi tình trạng của đất rừng cũng như sự cân bằng sinh học và hóa học của nó. Cảm biến đầu tiên hiện được sử dụng để đo giá trị pH bằng phép thử giấy quỳ cổ điển.
Tại đây, thuốc nhuộm có nguồn gốc từ địa y phản ứng với axit với sự thay đổi màu từ tím sang đỏ. Wiesemüller giải thích: “Sự thay đổi màu sắc của cảm biến trên nền rừng sau đó được một máy bay không người lái bay qua khu vực ghi lại.
Một cảm biến nở rộ
Để đảm bảo rằng cảm biến được bảo vệ cho đến khi sử dụng và chỉ thu thập dữ liệu vào thời điểm quan trọng, cảm biến được bao phủ bởi một lớp màng bảo vệ. Đây là một "chiếc mũ trùm ngược" phức tạp giúp giải phóng cảm biến ngay khi mưa rơi: trong giờ nghỉ làm việc, nó đảm nhận một tư thế bảo vệ chắc chắn. Tuy nhiên, ngay khi cảm biến bắt đầu hoạt động, màng bảo vệ sẽ phản ứng rất nhạy. Nếu có mưa hoặc độ ẩm trong không khí, nó sẽ nở ra như một bông hoa.
Cùng với nhóm của Gustav Nyström từ phòng thí nghiệm Cellulose & Vật liệu gỗ của Empa, các nhà nghiên cứu đã phát triển cơ chế bảo vệ này dựa trên cellulose dạng sợi nano từ bã gỗ, được xử lý bằng gelatin để tạo thành màng polyme mịn phản ứng với độ ẩm trong không khí. Khi mây mưa đã tan, quá trình nở hoa polymer sẽ đóng lại sau khoảng 30 phút cho đến chu kỳ làm việc tiếp theo.
Để đảm bảo rằng "bông hoa" mở ra một cách đối xứng, màng polyme cũng được phủ một lớp shellac rất mịn, một chất giống như nhựa tự nhiên do rận thực vật tiết ra. Nó ngăn không cho vật liệu polyme giãn nở không đều khi tiếp xúc với hơi ẩm.
Tín dụng: Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ
Trên đôi cánh của… củ khoai tây
Phương tiện vận chuyển cảm biến sinh học là một tàu lượn có vật liệu bao gồm tinh bột khoai tây thông thường, có thể so sánh với giấy ăn được. Điều này có nghĩa là tàu lượn có thể được in ra một cách đơn giản và ép thành hình hạt dưa chuột Java. Bao gồm cả cảm biến, tàu lượn chỉ nặng 1,5 gram và có sải cánh 14 cm.
"Thiết kế lấy cảm hứng từ sinh học nhằm mục đích cho phép tàu lượn hạ xuống càng lâu càng tốt," nhà nghiên cứu người máy Wiesemüller giải thích về sự lựa chọn hình học của tàu lượn. Trong các đấu trường bay không người lái tại Empa ở Dübendorf và tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn, Wiesemüller cuối cùng đã có thể tối ưu hóa hành vi bay và độ ổn định của các nguyên mẫu đầu tiên. Trong trường bay, tàu lượn sinh học đạt được tỷ lệ trượt là 6. Điều này tương ứng với khoảng cách theo phương ngang là 60 mét khi tàu lượn cất cánh từ độ cao 10 mét.
Khi thiết bị đo siêu nhẹ chạm đất, một cuộc chạy đua với thời gian bắt đầu. Trong khi cảm biến đo giá trị pH mỗi khi trời mưa, thiên nhiên sẽ tác động lên nó. Sau bảy ngày trong điều kiện phòng thí nghiệm, các sinh vật đất đã phân hủy đôi cánh. Sau ba tuần nữa, cảm biến bị hỏng. Đây là cách các thành phần tự nhiên của tàu lượn sinh học tìm đường trở lại tự nhiên.
Theo Wiesemüller, cảm biến axit chỉ là một bằng chứng ban đầu về khái niệm sẽ được theo sau bởi các loại cảm biến khác có thể xác định tình trạng của cây cối, nước và đất trong thời gian thực.
Bụi thành bụi
Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang tiến thêm một bước nữa. Mục tiêu của họ là ghi lại tác động của biến đổi khí hậu đối với các môi trường sống khác nhau bằng cách sử dụng máy bay không người lái cảm biến có thể phân hủy sinh học hoàn toàn. Theo tinh thần "sinh thái kỹ thuật số", những robot như vậy sẽ cho phép dự đoán chính xác tình trạng môi trường và các biện pháp phòng ngừa thích hợp, sau đó phân hủy thành vật liệu gốc của chúng trong tự nhiên.
Cho đến nay, không phải tất cả các bộ phận của máy bay không người lái môi trường như vậy đều có sẵn ở dạng phân hủy sinh học chất lượng cao. Các nhà nghiên cứu của Empa hiện đang làm việc trong các nhóm liên ngành về máy bay không người lái có khung thân thiện với môi trường dựa trên vật liệu cellulose và gelatin có độ xốp cao. Những phát hiện từ dự án tàu lượn sinh học cũng đang được kết hợp ở đây.
Robot lấy cảm hứng từ sinh học
Họ phải sửa chữa các tòa nhà và đo lường ô nhiễm môi trường ở những khu vực không thể tiếp cận — đối với những nhiệm vụ này, những người trợ giúp nhân tạo phải lấy cảm hứng từ thiên nhiên. Các vật thể bay lấy cảm hứng từ sinh học vẫn còn nhiều điều phải học hỏi từ các mô hình vai trò của chúng để có thể hoạt động độc lập trong một môi trường phức tạp.
Xét cho cùng, thiên nhiên đã có hàng trăm triệu năm để hoàn thiện các đặc điểm của sinh vật sống. Đối với tàu lượn cảm biến có thể phân hủy sinh học, các nhà nghiên cứu của Empa đã lấy dưa chuột Java, Alsomitra macrocarpa, làm mô hình của họ. Dây leo châu Á để gió phát tán hạt giống được trang bị đôi cánh trong suốt của nó. Giống như bản gốc, hạt cảm biến thông minh có sải cánh dài 14 cm. Thay vì hạt giống ở lõi, tàu lượn sinh học mang một cảm biến để thu thập dữ liệu môi trường.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Frontiers in Robotics and AI .
