Bí ẩn của sinh học: Tại sao không thể chế tạo máy bay có đôi cánh giống như chuồn chuồn?

Mặc dù con người đã chế tạo thành công nhiều loại robot sinh học khác nhau nhưng vẫn còn một bí ẩn khiến các nhà khoa học bối rối. Đó là, tại sao chúng ta không thể chế tạo thành công một robot bắt chước cách vỗ cánh của chuồn chuồn?

Cấu trúc cánh chuồn chuồn rất phức tạp và khó bắt chước

Cấu trúc cánh chuồn chuồn có thể nói là sự kết hợp tuyệt vời đầy đủ sắc thái. Cánh có bề mặt nhẵn và cứng, bao gồm một lớp màng trong suốt và đàn hồi. Có nhiều hạt nhỏ, mịn giữa các màng này, tạo ra các kết cấu và nếp nhăn phức tạp. Nếu để ý kỹ, bạn cũng sẽ thấy trên cánh chuồn chuồn có rất nhiều cấu trúc mao mạch cực nhỏ, giúp tăng cường độ ổn định và linh hoạt cho đôi cánh. Tất cả các cấu trúc chi tiết này phối hợp với nhau để cho phép cánh chuồn chuồn chịu được áp lực và độ rung cực lớn trong khi bay.

Đôi cánh của chuồn chuồn có thể thực hiện các chuyển động sải cánh nhanh chóng và chính xác, đây là chìa khóa cho khả năng duy trì chuyến bay ổn định trong không trung. Phần gốc cánh của chuồn chuồn được tạo thành từ một loạt các cơ co và giãn, sự co phối hợp của các cơ này cho phép chúng nhanh chóng mở rộng và gập cánh. Ngoài ra, nhiều khớp và dây chằng trên cánh chuồn chuồn cho phép cánh có thể xoay linh hoạt theo các góc và hướng khác nhau. Cơ chế dang rộng cánh phức tạp và chính xác này cho phép chuồn chuồn "nhảy múa" trong không trung với tốc độ và sự nhanh nhẹn đáng kinh ngạc.

Đôi cánh của chuồn chuồn có thể thực hiện các chuyển động sải cánh nhanh chóng. (Ảnh minh họa).

Nhiều nhà khoa học và kỹ sư đã cố gắng mô phỏng cấu trúc và chức năng của cánh chuồn chuồn để ứng dụng vào thiết kế máy bay nhân tạo. Tuy nhiên, sự phức tạp của cánh chuồn chuồn đặt ra một thách thức.

Đầu tiên, rất khó để tạo ra những vật liệu màng mỏng phức tạp có kết cấu và nếp nhăn tương tự.

Thứ hai việc tái tạo cấu trúc mao mạch mịn trên cánh đòi hỏi công nghệ và vật liệu phức tạp.

Ngoài ra, việc bắt chước độ chính xác và tốc độ của cơ chế xòe cánh của chuồn chuồn cũng là một thách thức rất lớn. Những hạn chế này khiến thiết kế sinh học của cánh chuồn chuồn vẫn là một bí ẩn chưa có lời giải.

Chuyển động của cánh chuồn chuồn rất độc đáo và khó sao chép

Cách cánh chuồn chuồn di chuyển được thực hiện thông qua một loạt các thao tác cơ và thần kinh phức tạp, chính xác. Cánh chuồn chuồn được tạo thành từ hai cặp cơ độc lập phối hợp với nhau để di chuyển cánh lên xuống. Không giống như các loài côn trùng khác, cánh của chuồn chuồn có thể vỗ với biên độ và tần số rất cao trong quá trình di chuyển, điều này mang lại cho chuồn chuồn sức mạnh bay mạnh mẽ.

Cách di chuyển độc đáo của cánh chuồn chuồn khiến chúng trở nên quan trọng trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ. Đầu tiên, nghiên cứu cách cánh chuồn chuồn di chuyển giúp chúng ta hiểu và giải thích cách thức hoạt động của chuyến bay trong tự nhiên. Điều này có vai trò định hướng trong việc phát triển công nghệ bay của con người và có thể giúp chúng ta thiết kế các thiết bị bay ổn định và hiệu quả hơn.

Cánh của chuồn chuồn có thể vỗ với biên độ và tần số rất cao trong quá trình di chuyển. (Ảnh minh họa).

Chuyển động của cánh chuồn chuồn cũng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo robot. Các nhà khoa học lấy cảm hứng từ chuồn chuồn và bắt chước chuyển động độc đáo của nó để thiết kế một robot có thể bay hiệu quả và duy trì sự ổn định. Những robot sinh học này đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như hoạt động cứu hộ, giám sát và trinh sát, tạo ra sự thuận tiện và an toàn hơn cho con người.

Mặc dù cách di chuyển cánh của chuồn chuồn rất độc đáo nhưng các nhà khoa học vẫn đang nỗ lực nghiên cứu và nhân rộng nó. Bằng cách nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế giải phẫu và chuyển động của cánh chuồn chuồn, chúng ta có thể tìm ra những ý tưởng và phương tiện kỹ thuật sáng tạo hơn để tối ưu hóa thiết kế robot và cải tiến công nghệ bay.

Công nghệ chế tạo cơ cấu cánh vỗ chưa đáp ứng được sự kỳ vọng

Các vật liệu truyền thống như kim loại và nhựa thường bộc lộ những hạn chế trong việc thiết kế các cơ chế cánh vỗ phức tạp. Chúng có thể quá nặng, không đủ cứng hoặc gây ra ma sát và tổn thất năng lượng. Đồng thời, quy trình sản xuất hiện tại không thể đáp ứng nhu cầu chế tạo các kết cấu cánh vỗ nhỏ và phức tạp. Những hạn chế này gây khó khăn cho việc tạo ra một cơ chế vỗ hiệu quả.

Công nghệ điều khiển cơ cấu vỗ cánh cũng là một thách thức. (Ảnh minh họa).

Công nghệ điều khiển cơ cấu vỗ cánh cũng là một thách thức. Chuyển động của cơ cấu vỗ đòi hỏi phải có sự điều khiển chính xác để đạt được khả năng bay và khả năng cơ động ổn định. Tuy nhiên, công nghệ điều khiển hiện nay thường khó đáp ứng được yêu cầu của các cơ chế điều khiển cánh phức tạp. Để đạt được chuyến bay hiệu quả, cơ chế vỗ cần có khả năng điều chỉnh nhanh chóng, chính xác góc và tốc độ của cánh. Điều này đòi hỏi các thuật toán điều khiển tiên tiến và công nghệ cảm biến chính xác nhưng công nghệ hiện tại chưa thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu này.

Độ bền của cơ chế vỗ cũng là một vấn đề. Một trong những mục tiêu của nghiên cứu sinh học là tạo ra cơ chế vỗ cánh lâu dài để đạt được khả năng bay đáng tin cậy. Tuy nhiên, vật liệu và công nghệ chế tạo hiện nay chưa thể đáp ứng được yêu cầu vận hành lâu dài của cơ cấu cánh vỗ. Những thách thức mà cơ chế cánh vỗ phải đối mặt bao gồm sự mệt mỏi và thất thoát vật liệu, cũng như các điểm yếu về cấu trúc và các bộ phận dễ bị tổn thương trong quá trình sản xuất.

Vật liệu và công nghệ chế tạo hiện nay chưa đáp ứng được yêu cầu vận hành lâu dài của cơ cấu cánh vỗ. (Ảnh minh họa).

Ứng dụng thực tế của máy bay chuồn chuồn còn hạn chế và có thể không có ý nghĩa thực tiễn

Hạn chế 1: Mỗi lần vỗ cánh của chuồn chuồn tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Chuồn chuồn có số lượng lớn cơ bắp trên cơ thể giúp chúng có thể vỗ cánh nhanh chóng. Tuy nhiên, trong lĩnh vực robot, để đạt được tốc độ rung tương tự đòi hỏi phải sử dụng lượng điện lớn. Các công nghệ năng lượng hiện tại vẫn chưa cung cấp được loại pin nhẹ, hiệu quả hoặc các giải pháp năng lượng khác, do đó tính thực tế của máy bay chuồn chuồn bị hạn chế nghiêm trọng.

Hạn chế 2: Vấn đề về độ ổn định của máy bay chuồn chuồn là một thách thức khác. Chuồn chuồn có thể duy trì sự ổn định bằng cách điều chỉnh hình dạng và góc của cánh trong khi bay. Tuy nhiên, trong trường hợp robot, việc bắt chước chính xác tư thế bay của chuồn chuồn là điều không dễ. Công nghệ robot hiện tại vẫn cần được cải tiến về mặt khí động học phức tạp và kiểm soát thái độ, điều này khiến việc ứng dụng máy bay chuồn chuồn vào thực tế trở nên khó khăn.

Tính thực tế của máy bay chuồn chuồn bị hạn chế nghiêm trọng. (Ảnh minh họa).

Hạn chế 3: Cấu trúc cơ thể của chuồn chuồn rất tinh tế và nó có thể mang cơ thể, cánh, cảm biến, v.v. một cách nhẹ nhàng. Tuy nhiên, việc biến cấu trúc mỏng manh này thành robot là một thách thức rất lớn. Công nghệ hiện tại chưa thể tái tạo các kích thước và tải trọng tương tự, điều này hạn chế ứng dụng thực tế của máy bay chuồn chuồn.