Bifur-circuits: Khối lắp ghép đổi hình mà mạch điện không đứt

Một chiếc ghế thử nghiệm có thể được biến thành bàn trà có chỗ chứa đồ, rồi gập phẳng để cất. Điều đáng chú ý không chỉ nằm ở khả năng đổi hình: cấu trúc còn nhận biết mình đang ở cấu hình nào và gửi thông báo tương ứng tới màn hình điện tử. Câu trả lời nằm trong các khối lắp ghép mang tên “bifur-circuits”, nơi cơ cấu chuyển động và đường dẫn điện được thiết kế thành một hệ thống thống nhất. [1]

Đây chưa phải món đồ nội thất tự động biến đổi theo ý muốn. Người dùng vẫn phải tác động để xoay, ép hoặc sắp lại cấu trúc. Phát minh của nhóm MIT giải quyết một bài toán nền tảng hơn: làm sao một vật thể gồm nhiều đơn vị có thể nhận nhiều hình dạng ổn định mà liên kết điện giữa các phần vẫn hoạt động. [1]

Vì sao vật liệu lại được ghép từ các đơn vị lặp?

Bifur-circuits thuộc nhóm siêu vật liệu cơ học (mechanical metamaterial). Tính chất đáng quan tâm của loại cấu trúc này không chỉ đến từ vật liệu làm nên nó mà còn từ hình học và cách các đơn vị nhỏ được lặp lại. Khi toàn bộ cấu trúc bị kéo, ép hoặc uốn, hình dạng của từng đơn vị chi phối cách lực truyền qua vật thể, nhờ đó vật thể có thể biến dạng theo những hướng đã dự liệu. [1]

Các khối của MIT dựa trên cấu trúc auxetic, loại cấu trúc nở rộng theo chiều ngang khi bị kéo dài thay vì hẹp lại như nhiều vật liệu quen thuộc. Trong một thiết kế trước đó, nhóm nghiên cứu đã dùng đặc tính này để làm ăng-ten có ba trạng thái. Tuy nhiên, ba trạng thái cố định chưa đủ cho mục tiêu tạo ra những vật thể có nhiều cấu hình, nên họ chuyển sang thiết kế các đơn vị có thể kết nối và xoay theo nhiều cách hơn. [1]

Điểm chuyển trạng thái tạo ra hình dạng mới ra sao?

Cơ chế then chốt là mechanical bifurcation, có thể hiểu là sự chuyển đột ngột từ một trạng thái cơ học sang trạng thái khác khi lực vượt qua một ngưỡng. Một chiếc thước nhựa bị uốn nhẹ ban đầu chỉ cong dần; đến một mức nhất định, nó bất ngờ oằn sang một dạng khác. Với bifur-circuits, sự chuyển trạng thái xảy ra khi các khối đã nối được xoay quanh điểm trục theo những cách nhất định. [1]

Một khối riêng lẻ có ít lựa chọn, nhưng các khối ghép với nhau có thể giữ nhiều cấu hình ổn định hơn. Mỗi đơn vị bổ sung cũng tạo thêm các cách phối hợp giữa vị trí và hướng xoay. Vì vậy, lợi thế của hệ thống không nằm ở một khối biết làm mọi việc, mà ở số cách những đơn vị giống nhau có thể phối hợp để tạo thành ghế, bàn hoặc dạng phẳng. [1]

Tại sao mạch điện vẫn nối khi các khối xoay?

Trong một vật thể biến hình thông thường, dây dẫn đi qua các khớp dễ trở thành điểm vướng: dây có thể bị kéo căng, gập sai hướng hoặc phải chừa độ dài cho mọi tư thế. Bifur-circuits tiếp cận vấn đề bằng cách tích hợp vật liệu dẫn điện ngay trong các đơn vị. Các tiếp điểm và đường dẫn được bố trí để kết nối điện giữa những khối kề nhau vẫn được duy trì khi cấu trúc bị xoay, ép hoặc vặn sang cấu hình khác. [1]

Vật liệu dẫn phải đáp ứng hai yêu cầu vốn khó dung hòa: đủ mềm để đi theo chuyển động của cấu trúc, đồng thời dẫn điện đủ hiệu quả cho việc cảm nhận trạng thái. Đây là một ràng buộc trực tiếp đối với cách nhóm nghiên cứu thiết kế cơ chế nhận biết giữa các khối. Trong phép thử độ bền được công bố, cấu trúc bị nén hơn 10.000 lần mà kết nối điện không suy giảm. [1]

Vật thể nhận biết hình dạng bằng cách nào?

Khi hai đơn vị được nối và xoay, cách tiếp xúc giữa chúng kích hoạt một mạch đặc trưng. Có thể hình dung mỗi quan hệ nối tạo ra một phần của “dấu hiệu” điện cho cấu hình hiện tại. Hệ thống đọc các kết nối đang hoạt động để phân biệt những cách sắp xếp, thay vì cần camera bên ngoài quan sát đường viền của toàn bộ vật thể. [1]

Trong mẫu trình diễn, chiếc ghế nhận ra khi nó được đổi thành bàn trà và gửi thông điệp phù hợp tới màn hình. Một bộ điều khiển biến hình khác có thể mở một trong nhiều trò chơi tùy theo cấu hình. Những màn trình diễn này cho thấy hình dạng không chỉ là kết quả cơ học; nó còn có thể đóng vai trò đầu vào, tương tự một nút bấm nhưng được biểu đạt bằng cách sắp xếp cả vật thể. [1]

Nhóm nghiên cứu cũng xây dựng công cụ thiết kế và mô phỏng để người dùng chuẩn bị cấu trúc. Phần mềm tạo chỉ dẫn cho máy in 3D đa vật liệu, cho phép chế tạo vật thể có cả phần cơ học và phần dẫn điện trong một lượt in. Cách làm này phù hợp với bản chất lặp của hệ thống: người thiết kế lựa chọn và kết hợp đơn vị, còn công cụ chuyển cấu hình đó thành hướng dẫn sản xuất. [1]

Đâu là nguyên mẫu, đâu mới là hướng ứng dụng?

Ghế kiêm bàn và bộ điều khiển trò chơi là những vật thể nhóm nghiên cứu đã chế tạo để trình diễn nguyên lý. Chúng chứng minh ba khả năng đi cùng nhau: đổi cấu hình, duy trì kết nối điện và nhận biết trạng thái. Tuy vậy, mẫu ghế không đồng nghĩa một sản phẩm nội thất hỗ trợ hoàn chỉnh đã sẵn sàng sử dụng; nguồn công bố không mô tả các bước đánh giá an toàn, tải trọng hay thử nghiệm với người phục hồi chấn thương. [1]

Đồ nội thất hỗ trợ đổi tư thế, dụng cụ phục hồi chức năng, tay kẹp robot mềm, nơi trú ẩn có thể tái cấu hình và ăng-ten điều chỉnh theo môi trường đều mới là những hướng được đề xuất. Riêng ý tưởng ăng-ten dựa trên khả năng thay đổi hình dạng để điều chỉnh dải tần mà không cần một cụm cơ khí cồng kềnh. Muốn đi từ khối thử nghiệm đến từng ứng dụng, thiết kế còn phải đáp ứng yêu cầu riêng về độ bền, điều khiển và môi trường hoạt động. [1]

Giá trị trước mắt của bifur-circuits vì thế nằm ở một cách chế tạo mới: thay vì lắp riêng khung chuyển động, khớp, dây và cảm biến hình dạng, người thiết kế có thể khai thác chính hình học của các đơn vị lặp để gộp một phần các chức năng ấy. Chiếc ghế đổi thành bàn là hình ảnh dễ nhớ, nhưng ý tưởng cốt lõi rộng hơn: hình dạng của vật thể có thể trở thành trạng thái mà chính phần cứng điện bên trong đọc được. [1]