Robot mềm bơi nhanh nhất trông giống như một con bướm và hoạt động như một chiếc kẹp tóc

Những robot mềm này có thể thực hiện động tác bơi bướm.
Robot mềm bơi nhanh nhất trông giống như một con bướm và hoạt động như một chiếc kẹp tóc
Cá người máy.

Một nhóm các nhà khoa học tại Đại học bang North Carolina (NCSU) đã phát triển hai robot mềm hình con bướm có khả năng bơi với tốc độ 1,70 và 3,74 chiều dài cơ thể mỗi giây (BL/s). Chúng được coi là những cỗ máy mềm bơi nhanh nhất thế giới vì cho đến nay, robot mềm được biết là bơi với tốc độ tối đa bằng một chiều dài cơ thể mỗi giây.

Điều thú vị hơn là thiết kế của các bot bướm được lấy cảm hứng từ ba loại nguồn khác nhau, đó là kẹp tóc bằng kim loại, một phụ kiện thường được các cô gái sử dụng để buộc tóc, kiểu bơi bướm, kiểu bơi được thực hiện để cơ thể chuyển động nhanh trong nước và cá đuối là loài động vật nước mặn bơi nhanh.

Một trong những tác giả và phó giáo sư tại NCSU, Jie Yin cho biết: “Mối liên hệ chưa được xây dựng cho đến khi các con tôi đến trường dạy bơi và học kiểu bơi bướm. Bơi bướm là một kỹ thuật bơi rất nhanh, đòi hỏi cơ thể nhấp nhô, đồng thời xoay và vỗ cánh tay”. 

Ông tiết lộ thêm rằng một nhà nghiên cứu khác và tiến sĩ. ứng cử viên tại NCSU, Tiến sĩ Yinding Chi đã lấy cảm hứng từ chiếc kẹp tóc của một cô gái, đây là một cấu trúc có thể bẻ đôi và có thể búng lên và búng xuống. Điều này đã cho họ ý tưởng sử dụng những chiếc kẹp tóc làm cánh vỗ, được điều khiển bởi một bộ truyền động uốn cong mềm nhấp nhô như phần thân mềm.

Bơi là hạng mục khó khăn cho robot mềm


Một vận động viên bơi lội biểu diễn bơi bướm.

Robot mềm được làm bằng vật liệu mềm như chất đàn hồi, gel hoặc hợp kim. Đối với những robot như vậy, việc bơi lội phức tạp và khó khăn hơn vì nó liên quan đến việc đối mặt với sức cản lớn của nước và tương tác với chất lỏng. 

Sự phù hợp của vật liệu mềm dẫn đến công suất lực nhỏ, điều này cuối cùng khiến robot khó bơi nhanh, vốn cần lực đẩy lớn hơn. Ngược lại, các động vật biển như cá đuối có thể bơi nhanh, và đó cũng là cách tiết kiệm năng lượng. Điều này là do nó có thể bơi với chỉ số Strouhal rơi vào khoảng hẹp 0,2-0,4. 

Số Strouhal liên quan đến tần số vỗ cánh, biên độ và tốc độ bơi. Về mặt toán học, nó là tỷ lệ giữa tích của tần số vỗ và biên độ với tốc độ. Tần số vỗ cao hơn có thể dẫn đến tốc độ bơi cao hơn, nhưng nó không nhất thiết mang lại hiệu suất năng lượng cao vì nó tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. 

Chỉ khi tỷ lệ hoặc số nằm trong khoảng 0,2-0,4, nó mới có thể mang lại hiệu suất đẩy cực đại và do đó, hiệu suất năng lượng. Chuyển động của hầu hết các động vật biết bay và vận động viên bơi lội đều nằm trong phạm vi này để tiết kiệm năng lượng. 

Tuy nhiên, trong trường hợp robot mềm, cả việc tuân thủ vật liệu và phạm vi hẹp của lựa chọn tự nhiên về hiệu suất bơi lội khiến việc đạt được tốc độ cao và hành vi tiết kiệm năng lượng trở nên khó khăn. 

Bot bướm có cả tốc độ và khả năng cơ động


Bot bướm nhanh hơn. Nguồn: Jie Yin, Đại học Bang NC

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế hai robot mềm, một người có thể bơi nhanh (3,74 BL/s) nhưng chỉ có thể bơi xuôi, giống kiểu bơi bướm. Robot mềm còn lại có thể quay vòng nhanh nhưng tốc độ bơi thấp (1,7 BL/s). Bot bướm nhanh hơn sử dụng cơ thể của nó để kích hoạt đồng thời việc vỗ một đôi cánh. 

Bot cơ động sử dụng hai chuyển động cơ thể song song để điều khiển độc lập một trong hai cánh. Vì vậy, khi cánh bên trái vỗ còn cánh bên phải thì không, nó sẽ rẽ phải hoặc ngược lại. Khi cả hai cánh được kích hoạt để vỗ đồng thời, nó sẽ bơi về phía trước, giống như bot nhanh hơn. 

Tuy nhiên, tốc độ của nó bị giảm nhẹ do trọng lượng cơ thể tăng lên. 

Để vượt qua lực nhỏ ở cả hai robot mềm, các nhà nghiên cứu đã áp dụng khái niệm chụp nhanh, một chuyển động nhanh được quan sát thấy khi đóng nhanh các kẹp tóc và bẫy ruồi Venus. Tương tự như kẹp tóc, cánh của robot “có thể bẻ đôi” nghĩa là chúng ổn định ở hai vị trí khác nhau (giống như cách một chiếc kẹp tóc đạt được vị trí ổn định khi uốn cong theo cả hai hướng). 

Hệ số ổn định kép tăng tốc độ phản ứng của cánh và tăng lực vỗ động, đồng thời tiết kiệm năng lượng vì nó giống như lực xung. Thật thú vị, số Strouhal cho cả hai bot bướm nằm trong khoảng từ 0,2 đến 0,4. 

Trong khi giải thích tầm quan trọng của robot mềm bơi nhanh, Giáo sư Yin cho biết: “Một robot bơi mềm nhanh nhưng tiết kiệm năng lượng có thể tốt cho việc thăm dò và giám sát nước. Tưởng tượng một kịch bản ô nhiễm dầu thô trên biển, động vật bơi mềm nhanh có thể tạo ra lực đẩy tương đối lớn hơn, khiến nó có khả năng bơi trong chất lỏng có độ nhớt cao với lực cản lớn để theo dõi môi trường, v.v.”.

ADDAFFI

Nhưng có một nhược điểm
Robot bướm được làm bằng silicone và đôi cánh có thể bẻ đôi của chúng cần có nguồn cung cấp không khí để chuyển từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác trong khi bơi. Không khí được bơm từ một nguồn bên ngoài vào các khoang khí trong cơ thể bot. Các buồng phồng lên và xẹp xuống, đồng thời cho phép các cánh búng ra sau theo đó.

Điều này có nghĩa là các bot bướm không phải là robot bơi tự do. Chúng hoạt động trong khi được gắn vào các ống nhỏ cung cấp không khí. Giáo sư Yin nói với: “Robot bơi lội hiện tại vẫn bị buộc vào một máy bơm không khí vì nó cần bơm không khí để uốn cong cơ thể mềm mại của mình". 

Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để làm cho các bot không bị ràng buộc thông qua khả năng kiểm soát tích hợp. Họ tin rằng những thay đổi này cũng có thể cải thiện hơn nữa tốc độ của robot.

Phạm Tuấn
Theo Interesting engineering
CÙNG CHUYÊN MỤC
ĐỌC THÊM