Không phải khoa học viễn tưởng: Robot tí hon này bò qua cơ thể bạn để truyền thuốc
Những chú robot tí hon này sử dụng từ tính để di chuyển và khám phá những không gian chật hẹp, có khả năng bao gồm cả đống đổ nát của thảm họa hoặc cơ thể con người. Nguồn: Jennifer M. McCann/Penn State
Một chú robot linh hoạt, bán tự động có khả năng định vị được các nạn nhân thảm họa bị mắc kẹt dưới đống đổ nát và truyền thuốc vào bên trong cơ thể con người.
Một chú robot nhỏ, mềm và linh hoạt có khả năng bò qua đống đổ nát của trận động đất để định vị các nạn nhân bị mắc kẹt hoặc điều hướng cơ thể con người để truyền thuốc, nghe có vẻ giống như khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu quốc tế do Penn State đứng đầu đang biến tầm nhìn này thành hiện thực bằng cách kết hợp các thiết bị điện tử linh hoạt với chuyển động được điều khiển bằng từ tính.
Không giống như các chú robot cứng truyền thống, các chú robot mềm được làm từ vật liệu dẻo có thể mô phỏng chuyển động của các sinh vật sống. Sự linh hoạt này cho phép chúng di chuyển qua những không gian hạn chế, chẳng hạn như các tòa nhà bị sập hoặc bên trong cơ thể con người phức tạp. Bất chấp lời hứa hẹn của chúng, việc nhúng các cảm biến và thiết bị điện tử vào các hệ thống mềm này vẫn là một rào cản lớn, theo Huanyu “Larry” Cheng, Phó Giáo sư Khoa học Kỹ thuật và Cơ học James L. Henderson, Jr. Memorial tại Penn State.
Làm cho Robot mềm thông minh hơn
“Thách thức lớn nhất thực sự là làm cho nó thông minh hơn”, Cheng, đồng tác giả liên lạc của nghiên cứu của nhóm được công bố trên Nano-Micro Letters, cho biết. “Đối với hầu hết các ứng dụng, robot mềm là hệ thống giao tiếp một chiều, nghĩa là chúng dựa vào điều khiển bên ngoài để điều hướng qua các môi trường phức tạp. Mục tiêu của chúng tôi là tích hợp các cảm biến thông minh để những robot này có thể tương tác với môi trường xung quanh và hoạt động với sự can thiệp tối thiểu của con người”.
Một yếu tố chính để làm cho những robot này thông minh hơn nằm ở việc tích hợp các thiết bị điện tử linh hoạt, cho phép các tính năng chính của chúng.
“Chúng tôi muốn thiết kế một hệ thống mà robot mềm và thiết bị điện tử linh hoạt hoạt động cùng nhau một cách liền mạch”, Cheng cho biết. “Thiết bị điện tử truyền thống là cứng nhắc, khiến việc tích hợp trở nên khó khăn. Giải pháp của chúng tôi là phân phối các thành phần điện tử theo cách bảo toàn tính linh hoạt của robot trong khi vẫn duy trì hiệu suất mạnh mẽ”.
Cheng và nhóm của ông đã quay video về các robot đang hoạt động, ghi lại hành vi năng động của chúng khi chúng bò và lăn thành một quả bóng để di chuyển theo một lộ trình đơn giản. Các robot di chuyển bằng vật liệu từ cứng được nhúng trong cấu trúc linh hoạt của chúng, cho phép robot phản ứng theo dự đoán với từ trường bên ngoài. Bằng cách điều chỉnh cường độ và hướng của từ trường, các nhà nghiên cứu có thể điều khiển chuyển động của robot, chẳng hạn như uốn cong, xoắn hoặc bò, mà không cần nguồn điện tích hợp hoặc kết nối vật lý như dây.
Vượt qua những thách thức về thiết kế
Một rào cản lớn trong việc phát triển công nghệ này là tìm ra cách để các thiết bị điện tử linh hoạt không cản trở chuyển động của robot.
Cheng cho biết: "Mặc dù chúng tôi thiết kế các thiết bị điện tử để có thể linh hoạt, nhưng độ cứng của chúng vẫn lớn hơn hàng trăm đến hàng nghìn lần so với vật liệu mềm của robot". "Để khắc phục điều này, chúng tôi phân phối các thiết bị điện tử trên toàn bộ cấu trúc, giảm tác động của chúng lên chuyển động".
Một thách thức khác là ngăn chặn nhiễu điện không mong muốn, có thể làm gián đoạn cách thức hoạt động của thiết bị hoặc hệ thống điện tử. Sự nhiễu này đến từ các nguồn bên ngoài, như các thiết bị điện tử khác hoặc tín hiệu không dây. Sự nhiễu như vậy sẽ cản trở chuyển động và ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến.
“Các trường từ rất quan trọng để kiểm soát chuyển động, nhưng chúng cũng có thể làm gián đoạn các tín hiệu điện tử”, Cheng lưu ý. “Chúng tôi phải thiết kế cẩn thận bố cục điện tử để giảm thiểu những tương tác này, đảm bảo rằng các cảm biến vẫn hoạt động ngay cả khi có từ trường mạnh”.
Hướng tới các ứng dụng trong thế giới thực
Với sự can thiệp từ trường được giảm thiểu, các rô-bốt có thể được điều khiển từ xa bằng các trường điện từ hoặc nam châm cầm tay — điều này hạn chế sự can thiệp của con người mà chúng cần. Ngoài ra, các cảm biến tích hợp cho phép chúng phản ứng tự động với các tín hiệu môi trường. Ví dụ, trong tìm kiếm và cứu nạn, chúng đủ thông minh để điều hướng các mảnh vỡ bằng cách phát hiện nhiệt hoặc chướng ngại vật. Trong các ứng dụng y tế, chúng có thể phản ứng với những thay đổi về độ pH hoặc áp suất, đảm bảo cung cấp thuốc chính xác hoặc thu thập mẫu chính xác.
Bước tiếp theo đối với nhóm của Cheng là tinh chỉnh công nghệ cho các ứng dụng như vậy — bao gồm cả việc tạo ra một “viên thuốc rô-bốt”.
Đồng tác giả Suk-Won Hwang, phó giáo sư tại Trường Khoa học và Công nghệ Hội tụ, Đại học Hàn Quốc, cho biết: “Một trong những ứng dụng tiềm năng hấp dẫn nhất là trong các thiết bị y tế cấy ghép”. “Chúng tôi đang nghiên cứu thu nhỏ hệ thống để phù hợp với mục đích sử dụng y sinh. Hãy tưởng tượng một hệ thống rô-bốt nhỏ có thể nuốt như viên thuốc, di chuyển qua đường tiêu hóa và phát hiện bệnh hoặc đưa thuốc chính xác đến nơi cần thiết”.
Công nghệ như vậy có thể cung cấp một giải pháp thay thế ít xâm lấn hơn cho các quy trình chẩn đoán truyền thống, như sinh thiết, thu thập dữ liệu trực tiếp
từ bệnh nhân theo thời gian thực, theo các nhà nghiên cứu.
“Với các cảm biến tích hợp, những robot này có thể đo độ pH, phát hiện các bất thường và thậm chí đưa thuốc đến các vị trí chính xác bên trong cơ thể”, Cheng giải thích. “Điều đó có nghĩa là ít phẫu thuật xâm lấn hơn và nhiều phương pháp điều trị có mục tiêu hơn, cải thiện kết quả cho bệnh nhân”.
Cheng cho biết ông cũng hình dung ra các ứng dụng trong tương lai trong điều trị mạch máu.
“Nếu chúng ta có thể làm cho những robot này nhỏ hơn nữa, chúng có thể được tiêm vào mạch máu để điều trị các bệnh tim mạch hoặc đưa thuốc trực tiếp đến các vùng bị ảnh hưởng”, Cheng cho biết. “Điều đó sẽ mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho các phương pháp điều trị y tế không xâm lấn”.
Mặc dù nhóm nghiên cứu vẫn chưa đặt tên chính thức cho những robot này, Cheng cho biết họ sẵn sàng tiếp thu các đề xuất.
“Đó là một đề xuất hay”, ông cười nói. “Có lẽ chúng ta nên để công chúng tham gia đặt tên cho chúng”.
Tài liệu tham khảo: “Robot mềm lập trình tích hợp hệ thống đa chức năng không dây” của Sungkeun Han, Jeong-Woong Shin, Joong Hoon Lee, Bowen Li, Gwan-Jin Ko, Tae-Min Jang, Ankan Dutta, Won Bae Han, Seung Min Yang, Dong-Je Kim, Heeseok Kang, Jun Hyeon Lim, Chan-Hwi Eom, So Jeong Choi, Huanyu Cheng và Suk-Won Hwang, ngày 17 tháng 2 năm 2025, Nano-Micro Letters.
DOI: 10.1007/s40820-024-01601-3
Bạn đọc được mời gửi ý tưởng đặt tên cho Cheng theo địa chỉ huanyu.cheng@psu.edu.
Cùng với Cheng và Hwang, các tác giả khác của nghiên cứu từ Penn State bao gồm Bowen Li, trợ lý nghiên cứu về khoa học kỹ thuật và cơ học, và Ankan Dutta, nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật cơ khí, cũng là thành viên của Trung tâm Kỹ thuật Thần kinh. Joong Hoon Lee, Gwan-Jin Ko, Tae-Min Jang, Won Bae Han, Sueng Min Yang, Dong-Je Kim, Heeseok Kang, Jun Hyeon Lim, Chan-Hwi Eom và So Jeong Choi, Trường sau đại học về khoa học và công nghệ hội tụ KU-KIST, Đại học Hàn Quốc; và Sungkeun Han, Trung tâm nghiên cứu và phát triển bán dẫn, Công ty điện tử Samsung, cũng đã đóng góp cho bài báo.
Quỹ nghiên cứu quốc gia Hàn Quốc và Viện khoa học và công nghệ Hàn Quốc đã hỗ trợ nghiên cứu này.
