Robot mềm có thể lướt trong nước, chui vào đường ống, hoặc xử lý các vật dễ vỡ mà không gây hư hỏng. Tuy nhiên, dù các robot này mềm mại, dễ thích nghi, nhưng nguồn năng lượng của chúng lại không bền như vậy.

Pin truyền thống thường cứng, nặng và nhanh hỏng khi bị uốn cong hay kéo giãn. Điều này hạn chế tính độc lập của robot mềm, làm chúng buộc phải kết nối với nguồn điện bên ngoài hoặc chấp nhận tuổi thọ ngắn hơn.

Một nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Wu Changsheng tại Đại học Quốc gia Singapore dẫn đầu, khám phá cho thấy chính từ trường sử dụng để điều khiển robot mềm cũng có thể giúp pin mềm dẻo của chúng mạnh mẽ, đáng tin cậy hơn. Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science Advances.

Bằng cách sử dụng một nguyên lý vật lý - từ tính - để điều khiển cả chuyển động và năng lượng, nhóm nghiên cứu tạo ra robot hiệu quả hơn, bền bỉ hơn và thông minh hơn, trong đó cảm biến, chuyển động và quản lý năng lượng hoạt động cùng nhau như một hệ thống.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển pin kẽm-mangan dioxit linh hoạt, được bọc trong silicon mềm. Thay vì sắp xếp các pin cạnh nhau, họ xếp chồng chúng theo chiều dọc, giúp tiết kiệm không gian và giữ cho thân robot linh hoạt.

Thiết kế của họ lấy cảm hứng từ cá đuối manta, với hình dạng tự nhiên kết hợp chuyển động, cảm biến và sử dụng năng lượng một cách mượt mà, hiệu quả. Các nhà nghiên cứu muốn robot của họ mô phỏng nét thanh lịch của sinh học này.

Trong các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện thấy bộ truyền động từ tính của robot - bộ phận di chuyển vây của nó - tạo ra từ trường đủ mạnh để cải thiện tính chất hóa học bên trong pin. Các từ trường này làm chậm sự phát triển của dendrite, là cấu trúc kim loại sắc nhọn có thể hình thành bên trong pin, gây ra hiện tượng đoản mạch nguy hiểm.

Nhờ từ trường kiểm soát chuyển động các ion bên trong pin, chúng giúp kẽm phân tán đều trong quá trình sạc, giữ cho pin an toàn, ổn định ngay cả khi robot bị uốn cong nhiều lần. Sau 200 chu kỳ sạc, pin cải tiến vẫn duy trì 57,3% dung lượng, gần gấp đôi hiệu suất của pin không có sự hỗ trợ từ tính.

Nghiên cứu sâu hơn cho biết tại sao điều này hiệu quả. Từ trường tạo ra lực Lorentz, chuyển hướng chuyển động các ion trong chất điện phân, dẫn đến quá trình lắng đọng kẽm trơn tru, đồng đều hơn. Đồng thời, từ trường cũng căn chỉnh các spin electron bên trong vật liệu oxit mangan, củng cố cấu trúc bên trong và ngăn ngừa sự phá vỡ tinh thể trong quá trình sử dụng nhiều lần.

Hiệu ứng ổn định kép này cho phép pin duy trì độ linh hoạt, an toàn và tuổi thọ cao, lý tưởng cho robot mềm hoạt động trong môi trường khó đoán trước. Để minh họa công nghệ này, nhóm nghiên cứu chế tạo một robot mềm có hình dạng giống cá đuối manta. Robot được trang bị pin mềm, bộ truyền động từ tính mềm, một mạch điện nhẹ cho phép cảm biến và giao tiếp không dây.

Bằng cách áp dụng từ trường bên ngoài, các nhà nghiên cứu có thể khiến robot vỗ vây, di chuyển trong nước, ổn định chuyển động trên các bề mặt khác nhau. Chính từ trường cung cấp năng lượng cho chuyển động cũng giúp pin hoạt động trơn tru, thể hiện sự tích hợp mạnh mẽ giữa chuyển động và năng lượng.

Robot cũng thể hiện khả năng ra quyết định đơn giản. Khi cảm biến phát hiện vật cản, robot tự động điều chỉnh đường đi để tránh va chạm. Khi bị sóng hoặc va chạm đẩy lệch hướng, robot tự động điều chỉnh hướng chỉ trong chốc lát. Cảm biến nhiệt độ cho phép robot lập bản đồ các mẫu nhiệt trong nước, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong giám sát môi trường.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định bổ sung các cảm biến tiên tiến hơn cho robot, chẳng hạn như siêu âm để phát hiện vật thể, hoặc cảm biến hóa học để phân tích chất lượng nước. Họ cũng đang tìm hiểu liệu việc tăng cường từ tính, có thể cải thiện các loại pin khác, bao gồm cả pin lithium-ion hoặc sợi pin đeo được hay không.