Robot mỏng như giấy bơi nhờ lớp tế bào cơ sống

Hãy tưởng tượng một cỗ máy nhỏ bằng thanh kẹo cao su, mỏng như tờ giấy nhưng có thể tự bơi lội và bẻ lái trong một mê cung nước chỉ bằng các mô cơ sống. Nhóm kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts đã phát triển thành công robot hai vây vận hành hoàn toàn bằng lớp tế bào cơ mỏng hơn sợi tóc, mở ra bước tiến mới trong việc chế tạo các cỗ máy lai sinh học có khả năng phản ứng linh hoạt với môi trường. [1]

Cấu trúc mỏng nhẹ và nguyên lý điều khiển bằng ánh sáng

Robot bơi này có phần khung xương làm từ một lớp phim gel mỏng, kích thước tương đương một thanh kẹo cao su chia thành hai nửa hoạt động như hai chiếc vây. Phủ bên trên lớp gel là các tế bào cơ sống đã được biến đổi gen để có khả năng co giật khi tiếp nhận ánh sáng. Khi kỹ sư chiếu ánh sáng vào một bên vây, các tế bào cơ tại đó sẽ co lại, tạo ra lực vẫy đủ mạnh để kéo toàn bộ cơ thể robot tiến về phía trước. [1]

Bằng cách luân phiên chiếu sáng từng vây ở các khoảng thời gian khác nhau, người điều khiển có thể dẫn dắt robot di chuyển và xoay vòng qua các chướng ngại vật trong nước. Theo nghiên cứu, thiết bị này cho thấy tiềm năng vận động trong không gian nước mà không cần đến các động cơ cơ khí cồng kềnh thường thấy ở robot truyền thống. [1]

Bài toán tối ưu hóa bộ khung gel

Trong các thử nghiệm trước đó với thiết bị mô phỏng mống mắt, các nhà nghiên cứu nhận thấy lớp gel nền cũ làm bằng fibrin quá mềm khiến cơ bị chùng xuống và biên độ chuyển động rất nhỏ. Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng gelatin methacrylate với độ cứng cao hơn và đục lên bề mặt các rãnh hình vuông thay vì thung lũng cong. [1]

Các rãnh vuông giúp tế bào cơ xếp hàng ngay ngắn hơn, dung hợp thành các sợi cơ chắc khỏe và tạo ra lực kéo lớn nhất khi co bóp. Việc điều chỉnh độ cứng của vật liệu nền và hình học bề mặt là những yếu tố then chốt giúp định hình mô cơ hoạt động hiệu quả. [1]

Sức mạnh và tốc độ di chuyển trong môi trường nước

Dù chỉ mang một lớp tế bào cơ đơn lẻ, robot đạt tốc độ bơi tối đa khoảng bốn lần chiều dài cơ thể trong một phút. Theo nhóm nghiên cứu, đây là tốc độ tương đương với loài cá mập bò khi chúng di chuyển thong thả khám phá đại dương, cho thấy sức mạnh đáng kể so với kích thước nhỏ gọn của thiết bị. [1]

Việc sử dụng mô cơ sống thay vì các cơ cấu cơ khí giúp thiết bị tiết kiệm chi phí chế tạo, di chuyển hiệu quả hơn và có tiềm năng tự lành vết thương cũng như thực hiện các nhiệm vụ tinh vi ở những khu vực mỏng manh mà các cỗ máy cứng cáp khó tiếp cận. [1]

Quá trình nuôi dưỡng và huấn luyện mô cơ

Để đảm bảo các tế bào cơ bám chặt vào khung thay vì bị bong ra khi co bóp, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa độ dày của lớp màng gel ở mức nửa milimét. Lớp màng này đủ nhẹ để giữ các tế bào bám chắc trong suốt quá trình vận động. [1]

Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu cũng thực hiện quy trình huấn luyện cho cơ bắp thông qua việc chiếu ánh sáng lặp lại nhiều lần. Quá trình này giúp củng cố độ bền và sức chịu đựng của mô cơ trước khi thả robot vào môi trường thử nghiệm thực tế. [1]

Triển vọng ứng dụng trong môi trường nước

Mặc dù thiết kế hiện tại còn khá đơn giản và mới chỉ dừng lại ở việc chứng minh khả năng tạo ra đủ lực để bơi, nhóm phát triển kỳ vọng sẽ tiếp tục cải thiện thiết kế cơ thể để tăng tốc độ di chuyển. [1]

Trong tương lai, những robot vận hành bằng cơ sống như thế này có thể được ứng dụng trong công tác giám sát môi trường tại các vực nước hoặc thực hiện các nhiệm vụ đòi hỏi sự can thiệp nhẹ nhàng, hạn chế tối đa tác động tiêu cực đến hệ sinh thái xung quanh. [1]

Định hướng phát triển và tiềm năng tương lai

Nghiên cứu về robot lai sinh học mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành kỹ thuật nhờ việc khai thác vật liệu sống thay thế cho phần cứng truyền thống. Nhóm tác giả tại Viện Công nghệ Massachusetts cho biết những cải tiến tiếp theo sẽ tập trung vào việc tinh chỉnh hình dáng cấu trúc để robot đạt hiệu suất vận động cao hơn nữa trong các điều kiện thực tế. [1]

Sự kết hợp giữa vật liệu sinh học mềm mại và cơ chế kích thích quang học tạo ra một nền tảng công nghệ linh hoạt. Những ứng dụng tiềm năng trong tương lai không chỉ giới hạn ở việc quan sát không gian dưới nước mà còn mở rộng sang nhiều lĩnh vực kỹ thuật vi mô đòi hỏi sự khéo léo đặc biệt. [1]

Hạn chế hiện tại và bước tiến tiếp theo

Dù đạt được kết quả bước đầu đáng ghi nhận, các nhà khoa học thừa nhận thiết kế hiện tại vẫn ở giai đoạn nguyên mẫu sơ khai với cấu trúc đơn giản. Việc duy trì sự sống và khả năng hoạt động ổn định của mô cơ trong thời gian dài ngoài phòng thí nghiệm là một thử thách cần tiếp tục vượt qua. [1]

Những bước đi tiếp theo của nhóm nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết bài toán tăng tốc độ bơi và mở rộng khả năng điều hướng trong các môi trường phức tạp hơn, đưa công nghệ robot sinh học tiến gần hơn tới các ứng dụng thực tế ngoài đời thực. [1]