Phát triển vật liệu đàn hồi có thể phóng lên không trung như loài châu chấu

Các kỹ sư tại Đại học Colorado Boulder (CU Boulder) đã phát triển một loại vật liệu đầu tiên biến dạng và sau đó bắn vào không khí khi được nung nóng. Các nhà nghiên cứu cho biết vật liệu này có thể được sử dụng để giúp robot mềm nhảy hoặc nâng vật thể.

Nhà nghiên cứu Tayler Hebner, người đã lấy bằng tiến sĩ về kỹ thuật hóa học và sinh học tại CU Boulder vào năm 2022 và các đồng nghiệp của bà đang xem xét các cách khác nhau mà một loại vật liệu được gọi là chất đàn hồi tinh thể lỏng tác động khi tiếp xúc với nhiệt. Những vật liệu này là phiên bản rắn chắc và đàn hồi của các tinh thể lỏng được sử dụng bên trong màn hình chẳng hạn như màn hình máy tính xách tay hoặc TV, thậm chí có thể được sử dụng trong kính chắn gió để bảo vệ phi công khỏi bị mù tạm thời bởi con trỏ laser.

Bà Hebner nói: “Chúng tôi chỉ quan sát chất đàn hồi tinh thể lỏng nằm trên tấm gia nhiệt và tự hỏi tại sao nó không tạo ra hình dạng như mong đợi. Nó đột nhiên xuất hiện ngay từ giai đoạn thử nghiệm trên mặt bàn".

Điều tra sâu hơn với các đồng nghiệp từ Viện Công nghệ California đã tiết lộ rằng nguyên nhân của hành vi nhảy vọt là do bộ phim có kích thước bằng một chiếc kính áp tròng, bao gồm ba lớp. Khi được làm nóng, hai lớp trên cùng co lại nhanh hơn lớp dưới cùng, khiến nó tạo thành hình nón. Cuối cùng, do sức căng tích tụ, hình nón đảo ngược đập vào bề mặt mà nó đang được nung nóng và bay lên không trung. Trong thử nghiệm, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chỉ trong 6 mili giây, màng phim có thể tăng gấp 200 lần độ dày của nó.

Các nhà nghiên cứu ví chức năng của vật liệu giống như cách châu chấu tích trữ năng lượng ở chân trước khi nhảy.

Đồng tác giả nghiên cứu Timothy White, giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học tại CU Boulder cho biết: “Khi sự đảo ngược xảy ra, vật liệu sẽ xuyên qua và giống như đồ chơi popper của trẻ em, nó nhảy ra khỏi bề mặt. Về vấn đề này, nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Harvard vào năm 2020, trong đó thiết kế đồ chơi popper đã truyền cảm hứng cho một bộ truyền động mà một ngày nào đó có thể giúp rô-bốt mềm vượt qua địa hình hiểm trở”.

Các nhà nghiên cứu so sánh hành động của bộ phim với cách châu chấu đạt được những màn nhảy ấn tượng và tin rằng nó cũng có thể có vị trí trong sự phát triển của robot mềm – những cỗ máy hoạt động mà không cần kim loại hoặc vật liệu cứng khác như những cỗ máy biết đi nhanh như con người sử dụng ánh sáng và từ trường. Ông White cho biết: “Trong tự nhiên, rất nhiều sự thích nghi như chân châu chấu sử dụng năng lượng dự trữ, chẳng hạn như sự không ổn định đàn hồi. Chúng tôi đang cố gắng tạo ra các vật liệu tổng hợp mô phỏng đặc tính tự nhiên đó".

Là một phần của việc khám phá cấu trúc các màng đang được sử dụng, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng vật liệu cũng có thể được tạo ra để nhảy bằng cách làm mát thay vì làm nóng nó. Họ cũng nói rằng bằng cách thêm chân vào phim, vật liệu có thể kiểm soát hướng. Mặc dù nhóm thừa nhận vật liệu có thể không trở thành nguồn vận động chính trong rô-bốt mềm, nhưng họ cảm thấy phát hiện này giúp bổ sung kiến thức về cách làm cho những cỗ máy cải tiến hoạt động tốt hơn, cho thấy tiềm năng lưu trữ và giải phóng vật liệu năng lượng trong những điều kiện nhất định.