Việc chế tạo một robot có thể nhặt những vật thể mỏng manh như trứng hoặc quả mọng mà không nghiền nát chúng đòi hỏi rất nhiều thuật toán điều khiển xử lý nguồn cấp dữ liệu từ hệ thống thị giác tiên tiến hoặc cảm biến bắt chước cảm giác chạm của con người. Một cách khác là đi sâu vào thế giới robot mềm, thường có nghĩa là robot có sức mạnh và độ bền hạn chế.

Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard đã công bố một nghiên cứu trong đó họ sử dụng một bộ ly hợp thủy lực đơn giản không có cảm biến và không có hệ thống điều khiển nào cả. Tất cả những gì họ cần là dầu silicon và rất nhiều quả bóng cao su nhỏ. Trong quá trình đó, họ đã phát triển một siêu chất lỏng có khả năng phản ứng với áp suất được lập trình.

Quả bóng cao su để bơi lội

“Tôi đã làm luận án tiến sĩ ở Pháp về cách một cái vỏ hình cầu bơi được. Để làm cho nó bơi được, chúng tôi phải làm cho nó xẹp xuống. [inverted] “Sứa”, Adel Jalouli, nhà nghiên cứu trong nhóm của Bertoldi tại Đại học Harvard và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Tôi nói với người quản lý của mình: Điều gì sẽ xảy ra nếu tôi cho quả bóng này vào ống tiêm và tăng áp suất?” Anh ấy nói rằng đó không phải là một ý tưởng thú vị và điều này sẽ chẳng mang lại hiệu quả gì, như Jalouli tuyên bố. Nhưng vài năm sau, sau nhiều lần bị từ chối, Jalouli đã gặp Benjamin Goresen, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Leuven ở Bỉ, người có chung sở thích với anh. Jalouli nói: “Tôi có thể chạy thử nghiệm, anh ấy có thể chạy mô phỏng, vì vậy chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể cùng nhau đề xuất điều gì đó”. Và thế là quả bóng cao su của Jelloly cuối cùng cũng lọt vào ống tiêm. Kết quả hoàn toàn bất ngờ.

Quả bóng có bán kính 10 mm và thành cao su silicon dày 2 mm của nó bao quanh một túi không khí. Nó được đặt trong một cái bát có 300 ml nước. Khi áp suất trong bình bắt đầu tăng, quả bóng ở tốc độ 120 kPa bắt đầu bị vênh. Khi nó bắt đầu bị biến dạng, áp suất vẫn tương đối ổn định trong một thời gian, mặc dù thể tích mà chất lỏng chiếm giữ tiếp tục giảm. Chất lỏng chứa quả bóng không còn hoạt động giống như nước nữa mà thay vào đó có một trạng thái ổn định rõ rệt trên đường cong áp suất/thể tích. “Siêu chất lỏng—chất lỏng có đặc tính điều chỉnh được không tồn tại trong tự nhiên—đã được lý thuyết hóa bởi… Federico Capasso và cộng sựAi muốn thu được một chất lỏng có chiết suất âm. Vào thời điểm đó, họ đang bắt đầu với quang học, nhưng nhìn vào hành vi của nước với quả bóng cao su này, chúng tôi biết thứ chúng tôi có là một chất lỏng siêu lỏng.

Lập trình trộn chất lỏng

Đặt một quả bóng cao su xuống nước chỉ là điểm khởi đầu. “Tôi luôn có ý tưởng này trong đầu: Điều gì sẽ xảy ra nếu tôi cho quá nhiều vào?” Jalouli nói với Ars. Vì vậy, nhóm của ông bắt đầu thử nghiệm các kích cỡ và số lượng bóng khác nhau trong môi trường và sử dụng các vật liệu khác nhau như dầu silicon. Jalouli giải thích: “Bạn có thể điều chỉnh áp suất mà các quả bóng kích hoạt bằng cách thay đổi bán kính và độ dày thành của chúng. Khi bạn làm cho các quả bóng dày hơn, bạn cần nhiều năng lượng hơn để làm cho chúng xoắn lại, do đó áp suất kích hoạt sẽ cao hơn”.

Có những tham số khác có thể được thay đổi để lập trình các thuộc tính mong muốn trong siêu chất lỏng. Điều này bao gồm phần thể tích – về cơ bản là tổng thể tích chất lỏng mà các quả bóng hấp thụ – và cấu trúc của các quả bóng, trong đó chất lỏng hoạt động khác nhau khi bạn đặt các quả bóng có kích thước và độ dày khác nhau vào đó. Bạn cũng có thể điều chỉnh điều này bằng cách sử dụng kết hợp các miền có thuộc tính khác nhau. “Nếu sự thay đổi về kích thước và độ dày của các quả cầu quá hẹp, bạn sẽ có một áp lực rất bằng phẳng khi kích hoạt chúng. Nếu bạn có sự phân bố rộng hơn, quá trình chuyển đổi từ tất cả các khóa sang tất cả các khóa sẽ mượt mà hơn,” nói. Jalouli cũng cho phép đạt được nhiều trạng thái ổn định ở các áp suất khác nhau trong một chất lỏng: “Bằng cách này, bạn có thể tinh chỉnh đường cong áp suất/thể tích,” Jalouli cho biết thêm.

Bằng cách điều chỉnh những đường cong đó, nhóm của ông đã có thể chế tạo một bộ ly hợp thủy lực thông minh hoạt động mà không cần cảm biến hoặc hệ thống điều khiển.