Cơ bắp robot mềm “tự lành” vết thương: Bước đột phá từ các kỹ sư Husker

Các kỹ sư tại Đại học Nebraska-Lincoln (Husker) vừa trình diễn một loại cơ bắp robot nhân tạo có khả năng tự nhận biết tổn thương, định vị vị trí hư hại và tự sửa chữa mà không cần sự can thiệp của con người.

Công nghệ đột phá này sử dụng cảm biến kim loại lỏng, nhiệt và một lớp vật liệu nhựa nhiệt dẻo để vá lành vết thương chỉ trong vài phút, đồng thời có thể tái sử dụng nhiều lần, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn cho các hệ thống robot bền bỉ hơn trong tương lai.

Công nghệ này, được phát triển bởi Eric Markvicka cùng các nghiên cứu sinh Ethan Krings và Patrick McManigal, đã lọt vào vòng chung kết của ba giải thưởng “Best Paper” tại hội nghị IEEE ICRA 2025, cho thấy ý nghĩa kỹ thuật quan trọng của nó.

Các hệ thống robot mềm thường vay mượn sự linh hoạt từ các mô sinh học, nhưng hiếm khi kế thừa khả năng tự chữa lành tự nhiên của chúng. Các thiết bị điện tử và bộ truyền động co giãn thông thường chỉ hoạt động cho đến khi một vết thủng hoặc áp suất lớn làm đứt các mạch dẫn điện hoặc làm vỡ vật liệu đàn hồi. Công trình của nhóm nghiên cứu Nebraska đã giải quyết trực tiếp hạn chế này bằng cách tích hợp khả năng tự nhận thức và tự sửa chữa vào chính bộ truyền động.

Cơ chế “tự sửa chữa” thông minh: Cảm biến kim loại lỏng và vật liệu đa lớp

Cơ bắp robot này dựa trên cấu trúc ba lớp. Lớp dưới cùng là một “lớp da” được làm từ các giọt kim loại lỏng siêu nhỏ phân tán trong silicone; lớp này tạo thành lưới cảm biến. Lớp giữa là một loại nhựa nhiệt dẻo cứng, cung cấp vật liệu có thể nóng chảy và tự hàn kín. Lớp trên cùng tạo ra chuyển động bằng cách giãn nở và co lại dưới áp lực nước, chuyển đổi năng lượng lưu trữ thành công cơ học.

Năm dòng điện nhỏ liên tục “tuần tra” lớp da phía dưới. Khi một vết thủng làm cầu nối các mạch dẫn điện lân cận, mạch điện sẽ phát hiện một đường dẫn điện mới, đánh dấu vị trí hỏng hóc và tự động tăng dòng điện qua điểm đó. Nhiệt Joule tạo ra từ dòng điện này sẽ làm mềm lớp nhựa nhiệt dẻo, khiến nó chảy vào vết thủng và đông cứng lại khi nguội – đóng kín vết thương chỉ trong vài phút.

Khả năng “reset” độc đáo và tiềm năng ứng dụng

Một bước “reset” thông minh giúp hệ thống có thể tái sử dụng. Bằng cách tăng thêm dòng điện, các kỹ sư kích hoạt hiện tượng di chuyển điện tích (electromigration), tách các nguyên tử kim loại và phá vỡ đường dẫn tạm thời được tạo ra bởi vết thương. Lưới cảm biến trở về trạng thái mở ban đầu, sẵn sàng cho những tác động tiếp theo. Nếu không có bước reset này, bộ truyền động chỉ có thể tự chữa lành một lần.

Những cỗ máy có khả năng tự phục hồi như vậy có thể mang lại giá trị lớn trong nhiều lĩnh vực. Trong nông nghiệp, nơi robot thường xuyên phải đối mặt với gai nhọn và mảnh vụn, khả năng tự lành sẽ giúp chúng hoạt động bền bỉ hơn. Tương tự, các thiết bị theo dõi sức khỏe đeo trên người cũng sẽ bền hơn khi phải chịu tác động uốn cong hàng ngày. Các thiết bị có tuổi thọ cao hơn cũng sẽ góp phần giảm lượng rác thải điện tử chứa chì và thủy ngân, vốn đang là một vấn đề môi trường cấp bách.