Robot nano tự gập thành chim origami nhỏ nhất thế giới

Nếu muốn chế tạo một robot nano đầy đủ chức năng, bạn cần phải kết hợp một loạt khả năng, từ mạch điện tử, quang điện phức tạp đến cảm biến và ăng-ten. Và nếu muốn robot di chuyển, bạn cần phải tạo khả năng uốn cong cho nó. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Cornell danh tiếng của Mỹ đã kết hợp tất cả để làm ra thiết bị truyền động bộ nhớ hình dạng có kích thước micromet cho phép vật liệu hai chiều mỏng về kích thước nguyên tử tự gấp lại thành cấu hình 3D. Điều đặc biệt họ yêu cầu là điện áp giật nhanh để một khi vật liệu bị uốn cong, nó vẫn giữ nguyên hình dạng ngay cả sau khi điện áp bị loại bỏ. Để mô tả cho những điều này là robot chim gấp giấy origami nhỏ nhất thế giới.

Bài báo về nghiên cứu của nhóm được xuất bản ngày 17.3 trên tạp chí Science Robotics. Tác giả chính của bài báo là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Qingkun Liu. Dự án được dẫn dắt bởi hai giáo sư vật lý Itai Cohen và Paul McEuen từ Đại học Nghệ thuật và Khoa học thuộc Đại học Cornell.

“Chúng ta đã học được cách xây dựng các hệ thống và máy móc phức tạp ở quy mô lớn. Nhưng những gì chúng ta chưa học được là chế tạo máy móc ở quy mô cực nhỏ. Và đây là một bước mới trong quá trình tiến hóa cơ bản về những gì con người có thể làm để chế tạo những cỗ máy nhỏ như tế bào”, Giáo sư McEuen, người đồng chủ trì Nhóm đặc nhiệm Khoa học nano và Kỹ thuật hệ thống vi mô (NEXT Nano) của Đại học Cornell, nói.

Sự hợp tác liên tục giữa hai giáo sư McEuen và Cohen cho đến nay đã tạo ra một loạt máy móc, linh kiện có kích thước nano. Mỗi sản phẩm mới được tạo ra dường như luôn nhanh hơn, thông minh và tinh tế hơn so với sản phẩm trước. “Chúng tôi muốn có những robot siêu nhỏ mang bộ não trên bo mạch. Điều đó nghĩa là cần phải có phần phụ được điều khiển bởi các bóng bán dẫn oxit kim loại bổ sung (complementary metal-oxide-semiconductor - CMOS), về cơ bản là một loại chip máy tính trên robot có kích thước siêu nhỏ”, Giáo sư Cohen cho biết.

Theo nhóm nghiên cứu, phần khó nhất là phải tạo ra vật liệu đáp ứng được với các mạch CMOS. “Và đó là những gì Qingkun cùng với đồng nghiệp đã làm với bộ truyền động bộ nhớ hình dạng phức tạp, nhiều nếp uốn cong như chim origami”.

Thiết bị truyền động của chim origami có thể uốn cong với bán kính cong nhỏ hơn một micromet, độ cong cao nhất của bất kỳ thiết bị truyền động điều khiển bằng điện áp nào theo thứ tự về độ lớn. Tính linh hoạt này rất quan trọng vì một trong những nguyên tắc cơ bản của việc chế tạo robot siêu nhỏ là kích thước robot được xác định bởi độ nhỏ của các phần phụ khác nhau có thể gấp lại được. Các khúc uốn càng chặt chẽ thì các nếp gấp cho mỗi máy sẽ càng nhỏ. Điều quan trọng nữa là robot chim origami có thể giữ được những khúc uốn này, điều này giúp giảm thiểu tiêu thụ điện năng, một tính năng đặc biệt có lợi cho robot và máy siêu nhỏ.

Hai giáo sư Cohen và McEuen ghi nhận kiến thức nền tảng của Qingkun Liu về hóa học đã tạo dấu ấn cho khoa học đằng sau phản ứng điện hóa giúp vật liệu có thể gấp lại và duy trì hình dạng của nó. “Ở quy mô nhỏ như thế, nó không còn giống như kỹ thuật cơ khí truyền thống, mà là hóa học, khoa học vật liệu và kỹ thuật cơ khí kết hợp lại”, nhà nghiên cứu Qingkun Liu nói.

Các thiết bị tạo nên chim origami bao gồm một lớp bạch kim mỏng có kích thước nanomet được bao phủ bởi một màng titan hoặc titan dioxit. Nằm trên đỉnh các lớp đó là một số tấm thủy tinh silicon dioxit cứng. Khi điện áp dương được đặt vào thiết bị truyền động, các nguyên tử oxi được dẫn vào bạch kim và hoán đổi vị trí với các nguyên tử bạch kim. Quá trình oxi hóa này làm cho bạch kim nở ra ở một phía trong các đường nối giữa các tấm kính trơ, khiến cấu trúc uốn cong thành hình dạng được định sẵn. Thiết bị có thể giữ hình dạng uốn cong ngay cả sau khi điện áp bị loại bỏ, vì các nguyên tử oxi nhúng tụ lại tạo thành một rào cản, ngăn chúng khuếch tán ra ngoài.

Sau đó, bằng cách đặt một điện áp âm vào thiết bị, nhóm nghiên cứu có thể loại bỏ các nguyên tử oxi và nhanh chóng khôi phục bạch kim về trạng thái nguyên sơ của nó. Bằng cách thay đổi mô hình của các tấm kính, một loạt cấu trúc origami được vận hành bởi các nếp gấp được tạo ra.

“Điều đáng chú ý là những lớp nhỏ bé này chỉ dày khoảng 30 nguyên tử, nhỏ hơn rất nhiều so với một tờ giấy vốn có thể dày 100.000 nguyên tử. Thiết bị chim origami tự gấp lại nhanh chóng, trong vòng 100 mili giây. Nó cũng có thể tự làm phẳng và uốn lại hàng nghìn lần. Và nó chỉ cần một Vôn để hoạt động. Đó là một thách thức kỹ thuật lớn để có thể tìm cách tạo ra một thứ như thế”, Giáo sư McEuen nói.

Hiện nhóm nghiên cứu đang làm việc để tích hợp thiết bị truyền động bộ nhớ hình dạng với các mạch điện để tạo ra robot biết đi có chân có thể gập lại. Họ hy vọng những đổi mới này một ngày nào đó có thể dẫn đến việc tạo thành công robot loại Roomba nano có khả năng làm sạch vi khuẩn lây nhiễm từ mô người, và dụng cụ phẫu thuật robot nhỏ hơn mười lần so với các thiết bị hiện tại.