Robot cánh vỗ giống côn trùng trong tự nhiên
TS Phan Hoàng Vũ, 39 tuổi, quê ở Quảng Nam. Anh là cựu học sinh trường THPT Trần Cao Vân, TP Tam Kỳ. Sau khi tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Hàng không, Trường ĐH Bách khoa TP.HCM năm 2010, anh học tiếp thạc sĩ và tiến sĩ chuyên ngành Công nghệ mô phỏng sinh học và Hệ vi cơ thông minh tại Đại học Konkuk, Seoul, Hàn Quốc.
Hiện anh làm việc tại Phòng thí nghiệm Hệ thống thông minh, Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Lausanne (EPFL).
Từ Thụy Sĩ, TS Phan Hoàng Vũ chia sẻ với Viettimes nghiên cứu về robot côn trùng của anh và cộng sự được đăng tải trên tạp chí Nature sau 4 tháng phản biện.
Nghiên cứu này anh thực hiện trong giai đoạn làm việc tại Phòng thí nghiệm Bay mô phỏng sinh học tại Đại học Konkuk (Hàn Quốc) năm 2020. Dự án sau đó bị gián đoạn vì một số lý do cá nhân và được TS Vũ tiếp tục với sự phối hợp giữa hai cơ quan nghiên cứu của Thụy Sĩ và Hàn Quốc cuối năm 2023.
Robot côn trùng mà TS Vũ phát triển là các thiết bị bay siêu nhẹ lấy cảm hứng từ đặc điểm sinh học của côn trùng như bọ cánh cứng hay ong. Robot dạng này kích thước chỉ bằng lòng bàn tay hoặc nhỏ hơn, thường nặng dưới 20 gram, sử dụng cánh đập để tạo lực nâng, thay vì dùng cánh quạt như drone truyền thống.
"Robot côn trùng không có đuôi để điều hướng nên cần tích hợp một cơ chế điều khiển chênh lệch lực khí động giữa hai cánh để kiểm soát tư thế và hướng bay, như cách các loài côn trùng thực hiện trong tự nhiên", TS Vũ nói.
Các nghiên cứu trước đó giới khoa học nhận định, côn trùng sử dụng cơ ngực để chủ động điều khiển các hoạt động đóng mở cánh, tương tự như các loài chim và dơi. Tuy vậy, việc thêm vào cơ chế đóng mở cánh cho robot làm tăng độ phức tạp và khối lượng, ảnh hưởng đến khả năng bay của chúng. Do đó, đa số các robot cánh vỗ mô phỏng côn trùng được phát triển nhiều năm qua vẫn phải cố định cánh ở trạng thái duỗi hoàn toàn (trạng thái như khi bay), và không thể gập lại, khiến chúng dễ bị hư hại.
Trong nghiên cứu này, TS Vũ và các cộng sự đã chứng minh rằng côn trùng có hệ thống cánh phức tạp như bọ cánh cứng, với một cặp cánh cứng trước (elytra) đóng vai trò như một lớp vỏ bảo vệ và một cặp cánh sau (hind wings) để bay. Cặp cánh cứng trước có thể tận dụng lực ly tâm khi đập cánh để dễ dàng bung cánh sau ra mà không cần sự điều khiển của cơ bắp. Sau khi hạ cánh, bọ sử dụng cánh cứng trước để đẩy cánh sau gập lại sát vào thân, thay vì dùng một hệ thống cơ riêng biệt cho quá trình bung và gập lại của cánh sau.
Từ nguyên lý đó, TS Vũ đã phát triển một cơ cấu cánh gập đơn giản và hiệu quả, giúp cho robot côn trùng có khả năng tự bung cánh ra khi bay và tự thu lại khi hạ cánh, mà hoàn toàn không cần đến cơ cấu truyền động phức tạp để điều khiển. Cơ chế có tên “triển khai và thu cánh thụ động”.
Nhờ cơ chế này, robot có thể thu gọn cánh sau khi bay mà vẫn giữ được khối lượng nhẹ không ảnh hưởng đến hiệu suất bay, giúp bảo vệ cánh và tăng tính linh hoạt của robot khi hoạt động trong không gian hẹp hoặc môi trường phức tạp. "Đây được coi là robot cánh vỗ đầu tiên có thể dễ dàng gập và triển khai cánh của chúng giống như côn trùng trong tự nhiên", TS Vũ nhận định.
Ứng dụng cứu nạn, thám hiểm
Từ phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng cơ chế bay của bọ cánh cứng và làm các thử nghiệm bay không dây, trong đó robot có thể tự bung cánh để cất cánh và tự thu cánh lại sau khi hạ cánh. Thử nghiệm cho thấy, với khối lượng chỉ 16 gram, robot có thể bay tối đa 9 phút.
Với cơ chế gập cánh lại khi không ở trạng thái bay, giống hệt nhiều loại côn trùng giúp robot trở nên gọn gàng, cho phép chúng di chuyển linh hoạt hơn khi bò trên mặt đất trong môi trường chật hẹp. Do đó, robot côn trùng nhỏ có tiềm năng lớn trong các nhiệm vụ như thám hiểm không gian hẹp, giám sát môi trường, hoặc tìm kiếm cứu nạn ở những khu vực đổ nát sau thiên tai mà con người không thể tiếp cận.
Không những thế, với thiết kế mô phỏng tự nhiên và khả năng bay gần như không gây tiếng động, các robot côn trùng này có thể ứng dụng trong quốc phòng và an ninh để thực hiện giám sát và trinh sát ở khoảng cách gần nhưng khó bị phát hiện. Robot cũng có thể ứng dụng trong nông nghiệp thông minh, như để thụ phấn nhân tạo hay theo dõi dịch bệnh trên cây trồng mà không gây tổn hại cho hoa và cây trồng.
Tuy nhiên theo TS Vũ, để đưa vào ứng dụng thực tiễn, robot côn trùng của nhóm vẫn cần thêm các cải tiến như tăng thời gian bay, cải tiến hệ thống điều khiển tự động, tăng khả năng bay linh hoạt hơn... Dù vậy, cơ chế bung và gập cánh là một bước đột phá trong thiết kế robot nhỏ. Không chỉ có tác dụng trên robot côn trùng, cơ chế này cũng có thể dễ dàng ứng dụng trên tất cả các loại robot cánh vỗ với kích thước khác nhau. Kết quả này cũng cho thấy việc tái tạo những cơ chế tinh vi trong tự nhiên trên robot thông qua các thiết kế đơn giản là điều hoàn toàn khả thi.
Theo GS Dario Floreano, Giám đốc Phòng thí nghiệm Hệ thống Thông minh tại EPFL, nguyên lý thiết kế của TS Vũ và cộng sự đặc biệt phù hợp với các hệ thống robot siêu nhỏ, nơi không gian, trọng lượng và năng lượng đều bị giới hạn nghiêm ngặt, từ đó giúp đơn giản hóa đáng kể các cấu trúc cơ khí vốn phức tạp.
Hướng nghiên cứu của TS Phan Hoàng Vũ tập trung vào drone mô phỏng sinh học, phương tiện bay siêu nhỏ, drone đa chế độ vận động trong nhiều môi trường, cơ chế hoạt động và khí động học của cánh vỗ và cánh biến hình, và cơ sinh học bay của các loài động vật trong tự nhiên.
Anh đã công bố hơn 30 bài báo khoa học trên các tạp chí quốc tế uy tín như Nature, Science, Science Robotics, Progress in Aerospace Sciences... và có 5 bằng sáng chế tại Hàn Quốc.
