Công nghệ lấy cảm hứng từ thiên nhiên

Gkanias có mối quan tâm đặc biệt đến việc thiên nhiên có thể giáo dục trí tuệ nhân tạo (AI) như thế nào. Từ la bàn mô phỏng mắt côn trùng cho đến robot chữa cháy rừng hoạt động giống như dây leo và đây là tuyển tập công nghệ dựa trên thiên nhiên của năm 2023.

La bàn côn trùng

Một số loài côn trùng - chẳng hạn như kiến và ong - định hướng bằng mắt dựa trên cường độ và sự phân cực của ánh sáng mặt trời, do đó sử dụng vị trí của mặt trời làm điểm tham chiếu. Một nhóm nhà nghiên cứu tái tạo cấu trúc mắt của chúng để tạo ra một chiếc la bàn có khả năng ước tính vị trí mặt trời trên bầu trời, ngay cả trong những ngày nhiều mây. La bàn thông thường dựa vào từ trường yếu của Trái đất để điều hướng, điều này dễ bị nhiễu bởi tiếng ồn từ thiết bị điện tử.

Gkanias, người đứng đầu nghiên cứu được công bố trên Communications Engineering, cho biết nguyên mẫu của la bàn phát hiện ánh sáng “đã hoạt động rất tốt. Với nguồn tài trợ thích hợp, sản phẩm này có thể dễ dàng được chuyển đổi thành một sản phẩm nhỏ gọn và nhẹ hơn”. Và với một chút điều chỉnh nữa, la bàn côn trùng hoạt động trên bất kỳ hành tinh nào nơi có thể nhìn thấy nguồn ánh sáng thiên thể lớn.

Lưới thu nước

Loại vải lấy cảm hứng từ những sợi tơ mượt mà của mạng nhện và có khả năng hút nước uống từ sương sớm có thể sớm đóng vai trò quan trọng ở những vùng khan hiếm nước. Sợi nhân tạo được lấy từ loài nhện chân lông vũ, có “nút thắt trục chính” phức tạp cho phép những giọt nước lớn di chuyển và tích tụ trên mạng của nó. Một khi vật liệu có thể được sản xuất hàng loạt, lượng nước thu được có thể đạt đến “quy mô đáng kể để ứng dụng thực tế” - Yongmei Zheng, đồng tác giả của nghiên cứu được công bố trên Advanced Function Materials, nói.

Mạch Kombucha

Kombucha là một loại trà lên men nhờ có con giống Scoby - một loại nấm men được nuôi trong nước trà (trà đen hoặc trà xanh) có đường, để tạo ra loại đồ uống sủi bọt có tính axit nhẹ. Vì thế, loại đồ uống này cũng thỉnh thoảng được gọi là trà Kombucha. Kombucha là cái tên được người Nhật hay gọi, ngoài ra nó còn được gọi là nấm thủy sinh, nấm Trường sinh và Thủy Hoài Sâm (do người Trung Quốc gọi). Nguồn gốc của Kombucha có từ Mãn Châu - vốn là nơi tiêu thụ loại thức uống truyền thống này. Ngoài ra, còn có ở một số nước khu vực Đông Âu. Một nhóm nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm máy tính độc đáo tại Đại học West of England ở Bristol (Anh) tìm ra cách sử dụng thảm kombucha nhầy nhụa - được tạo ra bởi nấm men và vi khuẩn trong quá trình lên men thức uống làm từ trà phổ biến này -  để tạo ra “thiết bị điện tử kombucha”.

Nhóm nhà khoa học in dãy mạch điện lên những tấm thảm khô có khả năng chiếu sáng những đèn LED nhỏ. Thảm kombucha khô có đặc tính giống vải dệt hoặc thậm chí là da, nhưng chúng bền vững và có khả năng phân hủy sinh học, thậm chí có thể ngâm trong nước nhiều ngày mà không bị phân hủy. Tác giả chính Andrew Adamatzky và giám đốc phòng thí nghiệm, cho biết: “Các thiết bị đeo Kombucha có khả năng kết hợp các cảm biến và thiết bị điện tử bên trong vật liệu, mang đến sự tích hợp công nghệ liền mạch và kín đáo với cơ thể con người, chẳng hạn như máy theo dõi nhịp tim hoặc máy theo dõi bước đi”. Thảm nhẹ hơn, rẻ hơn và dẻo hơn nhựa, nhưng nhóm tác giả cảnh báo rằng độ bền và việc sản xuất hàng loạt vẫn là những trở ngại đáng kể.

Phát triển robot y tế mềm lấy cảm hứng từ tê tê

Tê tê là sinh vật hấp dẫn. Loài vật này trông giống như một quả thông biết đi vì nó là loài động vật có vú duy nhất được bao phủ hoàn toàn bởi vảy cứng. Vảy có chất sừng, giống như tóc và móng tay của chúng ta. Các vảy chồng lên nhau và được kết nối trực tiếp với lớp da mềm bên dưới. Sự sắp xếp đặc biệt này cho phép con vật cuộn tròn thành quả bóng trong trường hợp nguy hiểm. Trong khi tê tê có nhiều đặc điểm độc đáo khác, một nhóm nhà nghiên cứu từ Khoa Trí tuệ Vật lý tại Viện Hệ thống Thông minh Max Planck ở Stuttgart (Đức) lại đặc biệt bị cuốn hút bởi cách tê tê có thể cuộn tròn cơ thể phủ đầy vảy của chúng trong nháy mắt. Họ lấy con vật làm hình mẫu và phát triển một robot linh hoạt được làm từ các bộ phận mềm và cứng, giống như con vật, trở thành hình cầu trong chớp mắt - với tính năng bổ sung là robot có thể tỏa nhiệt khi cần thiết.

Trong một bài nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Communications, nhóm nhà khoa học trình bày một thiết kế robot dài không quá 2cm và bao gồm hai lớp: một lớp mềm làm từ polyme được đính các hạt từ tính nhỏ và một thành phần cứng làm từ các nguyên tố kim loại được sắp xếp trong các lớp chồng lên nhau. Như vậy, dù robot được làm từ các thành phần kim loại rắn nhưng nó vẫn mềm mại và linh hoạt khi sử dụng bên trong cơ thể con người. Khi robot tiếp xúc với từ trường tần số thấp, nhóm nhà nghiên cứu có thể cuộn robot lại và di chuyển nó tới lui theo ý muốn. Các phần tử kim loại nhô ra giống như vảy của con vật mà không làm tổn thương bất kỳ mô xung quanh nào. Sau khi cuộn lại, robot có thể vận chuyển các hạt như thuốc. Tầm nhìn là một ngày nào đó một cỗ máy nhỏ như vậy sẽ đi qua hệ thống tiêu hóa của chúng ta.

Khi robot tiếp xúc với từ trường tần số cao, nó nóng lên tới hơn 70 độ C nhờ kim loại tích hợp. Năng lượng nhiệt được sử dụng trong một số thủ tục y tế - chẳng hạn như điều trị huyết khối, cầm máu và loại bỏ mô khối u. Rất hiếm những robot không dây có thể di chuyển tự do, mặc dù chúng được làm bằng các nguyên tố cứng như kim loại và cũng có thể tỏa nhiệt. Do đó, robot tê tê được coi là có triển vọng cho y học hiện đại.

Một ngày nào đó, nó có thể tiếp cận ngay cả những vùng hẹp nhất và nhạy cảm nhất trong cơ thể theo cách xâm lấn tối thiểu và nhẹ nhàng, đồng thời tỏa nhiệt khi cần thiết. Đó là tầm nhìn về tương lai.

Robot lấy cảm hứng từ rễ cây có thể quay về phía nguồn nhiệt

Một nhóm kỹ sư robot tại Đại học California Santa Barbara (Mỹ) đã thiết kế và chế tạo một robot bắt chước cách rễ và dây leo di chuyển về phía nguồn ẩm. Khi công nghệ robot tiếp tục phát triển, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đang tìm kiếm những nguồn cảm hứng mới. Trong nỗ lực mới này, một nhóm nhà nghiên cứu xem xét cách thực vật gửi rễ tới nguồn ẩm và cách dây leo lan rộng khắp môi trường. Kết quả là một robot có khả năng quay khi nó mở rộng về phía nguồn nhiệt. Robot dài khoảng 2 mét và được chế tạo bằng cách sử dụng các túi mỏng, linh hoạt chứa đầy Novec 7000 - một loại chất làm lạnh. Những chiếc túi có hình dạng giống như một ống tay áo, sau đó được chia thành các đoạn 4,5cm. Khi robot uốn cong để di chuyển về phía nguồn nhiệt, các phân đoạn sẽ điều chỉnh để phù hợp với chuyển động. Mặt gần nguồn nhiệt nhất sẽ ngắn lại, trong khi mặt đối diện sẽ giãn ra và dài hơn. Robot được kích hoạt để di chuyển do sự thay đổi nhiệt độ khi chất làm lạnh của nó bắt đầu bay hơi ở 34 độ  C. Trong hoạt động, nó giống như một con sâu phân đoạn.

Nhóm kỹ sư thử nghiệm robot bằng cách đặt nó trong nhiều môi trường khác nhau và xem nó hoạt động tốt như thế nào. Ví dụ, họ nhận thấy nó có khả năng điều hướng xung quanh những vật thể nhỏ. Họ cũng phát hiện nó có thể uốn cong về phía nguồn nhiệt ngay cả khi bị uốn cong ra xa nguồn nhiệt. Họ cũng lưu ý robot có khả năng đảo chiều, trong đó robot có thể tự mở rộng hoặc bung ra. Trong trường hợp của nguyên mẫu mới, robot có thể tự kéo vào trong - giống như kéo tay áo sơ mi từ trong ra ngoài.

Nhóm nhà nghiên cứu cho rằng robot của họ có thể tỏ ra hữu ích trong việc dập tắt nguồn nhiệt. Bằng cách trang bị các ống có khả năng bơm nước hoặc vật liệu khác, robot có thể di chuyển đến nguồn lửa, chẳng hạn như nơi có thể triển khai vật liệu dập lửa. Nhóm kết luận bằng cách lưu ý robot của họ chế tạo không tốn kém, điều đó có nghĩa là nó có thể là một công cụ rẻ tiền để lính cứu hỏa sử dụng. Họ có kế hoạch tiếp tục cải tiến robot của mình, tìm cách làm cho nó di chuyển nhanh hơn và bắt đầu ở những nhiệt độ khác nhau.

Một robot nhỏ bé lấy cảm hứng từ tắc kè và sâu đo

Robot mới do nhóm kỹ sư tại Đại học Waterloo (Canada) phát triển, sử dụng tia cực tím (UV) và lực từ để di chuyển trên mọi bề mặt, thậm chí lên tường và xuyên trần nhà. Một bài báo về công trình này được công bố trên tạp chí Khoa học Vật lý Báo cáo Tế bào. Đây là robot mềm đầu tiên thuộc loại này không cần kết nối với nguồn điện bên ngoài, cho phép vận hành từ xa và linh hoạt cho nhiều ứng dụng tiềm năng như hỗ trợ bác sĩ phẫu thuật và tìm kiếm những nơi không thể tiếp cận.

Giáo sư kỹ thuật hóa học Boxin Zhao tuyên bố: “Công trình này là lần đầu tiên một robot mềm toàn diện leo lên các bề mặt đảo ngược, thúc đẩy sự đổi mới hiện đại về robot mềm. Chúng tôi lạc quan về tiềm năng của nó với sự phát triển hơn nữa và trong một số lĩnh vực khác nhau”. Được chế tạo từ vật liệu thông minh, robot - được nhóm nhà nghiên cứu đặt tên là GeiwBot vì những sinh vật đã truyền cảm hứng cho nó - được thay đổi ở cấp độ phân tử để bắt chước cách tắc kè bám và tháo những vật bám mạnh mẽ trên chân chúng. Điều đó cho phép robot - dài khoảng 4cm, rộng 3mm và dày 1mm - leo lên bức tường thẳng đứng và xuyên qua trần nhà mà không cần buộc vào nguồn điện.

Zhao và nhóm nghiên cứu của ông chế tạo robot bằng cách sử dụng chất đàn hồi tinh thể lỏng và miếng dính tổng hợp. Một dải polymer phản ứng với ánh sáng mô phỏng chuyển động uốn cong và kéo dài của một con sâu đo, trong khi các miếng nam châm lấy cảm hứng từ tắc kè ở hai đầu thực hiện nhiệm vụ kẹp chặt. Zhao, Chủ tịch Công nghệ nano của Đại học Waterloo, bình luận: “Mặc dù vẫn còn những hạn chế cần khắc phục, nhưng sự phát triển này đánh dấu một cột mốc quan trọng trong việc sử dụng mô phỏng sinh học và vật liệu thông minh cho robot mềm. Thiên nhiên là nguồn cảm hứng tuyệt vời và công nghệ nano là một cách thú vị để áp dụng các bài học của nó”.

Robot mềm không dây sẽ mở đường cho các ứng dụng phẫu thuật tiềm năng thông qua hoạt động từ xa bên trong cơ thể con người và cảm biến hoặc tìm kiếm ở những nơi nguy hiểm hoặc khó tiếp cận trong quá trình hoạt động cứu hộ. Bước tiếp theo đối với nhóm nhà nghiên cứu là phát triển robot mềm leo núi chạy bằng ánh sáng, không cần từ trường và sử dụng bức xạ cận hồng ngoại thay vì tia UV để cải thiện khả năng tương thích sinh học.