In 3D cơ bắp nhân tạo: Vật liệu có thể tự co hoặc giãn khi được làm nóng

Một sợi vật liệu được in 3D có thể trông hoàn toàn thụ động ở nhiệt độ thường. Nhưng khi được làm nóng, nó có thể co ngắn như cơ bắp, kéo dài ra, xoắn quanh trục hoặc gần như giữ nguyên chiều dài – tùy vào cách các phân tử bên trong được sắp xếp ngay từ lúc in.

Đó là ý tưởng cốt lõi của một phương pháp in 3D mới dành cho elastomer tinh thể lỏng (liquid crystal elastomer – LCE), được nhóm nghiên cứu do Yuxuan Sun, Boxi Sun và các cộng sự phát triển. Công trình được công bố trên Nature Communications năm 2026.

Thay vì phải thay đổi thành phần vật liệu hoặc thiết kế một cấu trúc phức tạp cho từng kiểu chuyển động, nhóm nghiên cứu sử dụng một đầu phun có thể quay trong khi vật liệu được đùn ra. Chỉ bằng cách thay đổi tốc độ quay của đầu phun so với tốc độ di chuyển, họ có thể kiểm soát góc xoắn của cấu trúc phân tử bên trong sợi in. Góc này sau đó quyết định vật liệu sẽ phản ứng thế nào khi nhiệt độ tăng.

Kết quả là cùng một loại vật liệu có thể được “lập trình” ngay trong quá trình in để co lại, giãn dài, xoắn hoặc không đổi chiều dài đáng kể khi được làm nóng. Đây là đặc tính khiến công nghệ đặc biệt hấp dẫn đối với robot mềm, bộ truyền động nhân tạo và các thiết bị y sinh có khả năng thay đổi hình dạng.

“Cơ bắp nhân tạo” ở đây thực chất là gì?

Cụm từ “cơ bắp nhân tạo” thường được dùng để mô tả những vật liệu hoặc cơ cấu có khả năng tạo ra chuyển động khi nhận một kích thích như điện, nhiệt, ánh sáng, áp suất hoặc từ trường. Chúng không phải mô cơ sinh học, nhưng có thể thực hiện một chức năng tương tự: biến năng lượng đầu vào thành co, giãn hoặc chuyển động cơ học.

Trong nghiên cứu này, thành phần chủ đạo là liquid crystal elastomer. LCE là một loại polymer đàn hồi có chứa các đơn vị phân tử mang tính trật tự giống tinh thể lỏng. Khi nhiệt độ thay đổi, mức độ sắp xếp của các phân tử này thay đổi theo, kéo theo biến dạng cơ học của toàn bộ vật liệu.

Điểm đặc biệt của LCE là phản ứng không nhất thiết giống nhau theo mọi hướng. Nếu các phân tử được định hướng có chủ đích, vật liệu có thể co mạnh theo một trục nhưng giãn theo trục khác. Chính tính dị hướng này tạo cơ sở để biến LCE thành một dạng bộ truyền động mềm.

Vấn đề của in 3D LCE truyền thống

In 3D bằng phương pháp đùn đã được sử dụng để chế tạo LCE từ trước. Khi mực polymer đi qua vòi phun, lực cắt có xu hướng sắp xếp các phân tử theo hướng chuyển động của dòng vật liệu. Điều đó có ích vì nó tạo ra sự định hướng, nhưng cũng gây một giới hạn lớn.

Ở cách in thông thường, hướng phân tử phần lớn bị gắn với đường đi của đầu phun. Muốn một chi tiết co theo hướng này nhưng xoắn hoặc kéo dài ở vùng khác, nhà thiết kế thường phải thay đổi đường in, kết hợp nhiều vật liệu, tạo cấu trúc nhiều lớp hoặc sử dụng các vùng kích thích khác nhau.

Nhóm nghiên cứu muốn tách hai yếu tố này ra: hình dạng của vật thể và cách vật thể sẽ chuyển động sau khi được kích hoạt.

Nói cách khác, họ muốn một sợi có thể được in theo cùng một đường thẳng, nhưng vẫn có thể được lập trình để co, giãn hoặc xoắn chỉ bằng cách thay đổi cấu trúc phân tử bên trong.

Đầu phun quay tạo ra “mã lệnh” bên trong vật liệu

Giải pháp của nhóm là một hệ thống rotational 3D printing – in 3D với đầu phun có thể quay quanh trục trong quá trình đùn.

Khi đầu phun quay, các phân tử LCE không còn chỉ được sắp xếp song song với trục của sợi. Thay vào đó, chúng tạo thành một trường định hướng dạng xoắn ốc bên trong filament.

Nhóm nghiên cứu định nghĩa một thông số gọi là góc xoắn θ. Về cơ bản, góc này biểu thị mức độ nghiêng của hướng sắp xếp phân tử so với trục sợi. Nó được điều chỉnh bằng tỷ lệ giữa tốc độ quay của vòi phun và tốc độ di chuyển khi in.

Điều quan trọng là chỉ một thông số này có thể quyết định chế độ biến dạng của vật liệu sau khi được làm nóng.

Một vật liệu, bốn kiểu phản ứng với nhiệt

Các thí nghiệm cho thấy khi thay đổi góc xoắn phân tử, sợi LCE có thể biểu hiện bốn chế độ cơ bản.

• Co lại: khi góc θ bằng 0°, hướng phân tử chủ yếu song song với trục sợi và sợi co dọc theo chiều dài khi được làm nóng.
• Xoắn: ở gần góc trung hòa khoảng 68°, sợi chủ yếu xoắn quanh trục trong khi chiều dài thay đổi rất ít.
• Giãn dài: với các đoạn có góc lớn hơn, chẳng hạn cấu hình xen kẽ +80° và −80°, sợi có thể kéo dài khi được làm nóng.
• Gần như giữ nguyên chiều dài: các đoạn được lập trình với góc phù hợp có thể triệt tiêu biến dạng dọc trục ở cấp độ toàn sợi.

Đây là điểm đáng chú ý nhất của công nghệ. Trong nhiều hệ vật liệu nhiệt đáp ứng, tăng nhiệt độ thường dẫn đến một kiểu biến dạng cố định. Ở đây, phản ứng đã được “mã hóa” ngay trong cấu trúc phân tử của vật liệu khi nó được in.

Cùng một chất nền LCE, cùng một kích thích nhiệt, nhưng từng vùng có thể thực hiện chuyển động khác nhau.

Vì sao vật liệu có thể vừa co vừa giãn khi cùng được làm nóng?

Nghe có vẻ mâu thuẫn khi một vật liệu có thể co hoặc giãn chỉ với cùng một tác nhân là nhiệt. Điểm mấu chốt nằm ở hướng sắp xếp của các phân tử.

Khi LCE đi qua quá trình chuyển pha do nhiệt, trật tự của các đơn vị tinh thể lỏng giảm xuống. Biến dạng phát sinh có hướng ưu tiên liên quan tới director – tức hướng sắp xếp trung bình của các phân tử.

Nếu director nằm gần trục sợi, biến dạng chủ yếu xuất hiện dưới dạng co dọc trục. Nhưng nếu director được bẻ thành cấu trúc xoắn quanh sợi, thành phần biến dạng có thể được phân bổ sang hướng xoắn và hướng ngang. Khi nhiều đoạn có góc khác nhau được kết hợp, tổng biến dạng có thể dẫn tới kéo dài thay vì co.

Do đó, vật liệu không “đổi tính chất” một cách ngẫu nhiên. Kiểu chuyển động là kết quả của hình học phân tử được lập trình trong quá trình chế tạo.

Không chỉ chuyển động, vật liệu còn có thể biến dạng theo trình tự

Một bước tiến khác của nghiên cứu là khả năng lập trình thứ tự kích hoạt.

Nếu các vùng khác nhau trong cùng một chi tiết có góc xoắn khác nhau, chúng có thể bắt đầu biến dạng ở các ngưỡng nhiệt khác nhau. Khi nhiệt độ tăng dần, vùng này chuyển động trước, vùng khác chuyển động sau.

Điều đó cho phép một cơ cấu thực hiện nhiều bước mà không cần mỗi phần tử phải có một mô-tơ, dây điều khiển hoặc bộ truyền động riêng.

Nhóm nghiên cứu minh họa khả năng này bằng một tay kẹp mềm tự phân vùng. Tay kẹp gồm các vòng LCE được lập trình để phản ứng theo trình tự. Ở mức nhiệt ban đầu, một số đoạn bên trong co lại để chia vùng kẹp thành nhiều khoang nhỏ. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, vòng ngoài chuyển động và ôm lấy các vật thể.

Nhờ vậy, cùng một cơ cấu có thể thích ứng với việc giữ một vật thể lớn hoặc nhiều vật thể nhỏ mà không cần thay đổi phần cứng.

Ngưỡng nhiệt không nhất thiết phải rất cao

Khi nói tới vật liệu kích hoạt bằng nhiệt, một câu hỏi quan trọng là nhiệt độ cần thiết có quá cao cho ứng dụng thực tế hay không.

Trong nghiên cứu, nhóm tác giả cho thấy nhiệt độ chuyển pha của LCE có thể được điều chỉnh thông qua thành phần hóa học. Đối với mẫu tay kẹp thử nghiệm, họ sử dụng LCE có nhiệt độ chuyển pha nematic–isotropic khoảng 18°C, nhằm hạn chế nguy cơ gây hại do nhiệt lên vật thể được kẹp.

Ở các minh họa khác, nhiệt độ cao hơn được sử dụng để kích hoạt hoặc tái lập trình vật liệu. Điều này cho thấy “nhiệt độ kích hoạt” không phải một con số cố định cho toàn bộ nền tảng mà phụ thuộc vào công thức LCE và mục tiêu ứng dụng.

Vật liệu còn có thể mang “trí nhớ” hình dạng

Nhóm nghiên cứu còn kết hợp LCE với các vi hạt từ NdFeB để tạo ra những cấu trúc vừa có khả năng biến dạng do nhiệt vừa có thể tương tác với từ trường.

Trong cấu hình này, gia nhiệt cục bộ có thể được sử dụng để thay đổi hướng miền từ của một số đoạn. Một số thay đổi chỉ tồn tại khi kích thích còn được duy trì, trong khi một số khác có thể được lưu lại sau khi vật liệu nguội.

Các tác giả mô tả hai loại hành vi tương tự bộ nhớ volatile và non-volatile: một trạng thái biến mất khi kích thích kết thúc, và một trạng thái có thể được giữ lại.

Ý tưởng này đặc biệt thú vị đối với robot mềm. Thay vì mọi hành vi đều phải do bộ điều khiển điện tử tính toán theo thời gian thực, một phần “chương trình chuyển động” có thể được lưu ngay trong hình học và cấu trúc vật liệu.

Robot mềm có thể thay đổi cách di chuyển

Để minh họa, nhóm nghiên cứu tạo một robot mềm nhiều đoạn lấy cảm hứng từ khả năng thay đổi hình thái của sinh vật. Ở khoảng 20°C, robot di chuyển với một mặt hướng lên. Khi đi vào vùng nhiệt khoảng 80°C, một đoạn vật liệu xoắn khiến robot lật sang mặt khác, đồng thời thay đổi cấu hình chuyển động.

Thử nghiệm này không nhằm chứng minh một robot thương mại hoàn chỉnh, mà cho thấy vật liệu có thể mã hóa nhiều hành vi cơ học khác nhau mà không cần bổ sung nhiều bộ truyền động độc lập.

Đây là hướng tiếp cận khác với robot truyền thống. Thay vì chế tạo một bộ khung cứng rồi gắn mô-tơ vào từng khớp, kỹ sư có thể thiết kế chính vật liệu để trở thành một phần của hệ truyền động.

Ứng dụng y sinh: dây dẫn có thể đổi hướng

Một trong những minh họa đáng chú ý nhất của nghiên cứu là dây dẫn mềm có thể điều hướng bằng từ trường.

Cấu trúc gồm nhiều đoạn LCE từ tính nối tiếp. Các đoạn có thể được làm nóng cục bộ bằng laser cận hồng ngoại để thay đổi hướng từ hóa. Sau khi được lập trình lại, cùng một từ trường có thể khiến dây dẫn uốn theo một quỹ đạo khác.

Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu cho thấy dây có thể chuyển từ cấu hình cong dạng L sang dạng U sau khi một số đoạn được tái lập trình nhiệt.

Đây mới là minh chứng trong phòng thí nghiệm, nhưng nguyên lý có tiềm năng với các thiết bị y sinh mềm cần di chuyển qua những đường cong phức tạp bên trong cơ thể. Trước khi ứng dụng lâm sàng, những hệ như vậy vẫn phải vượt qua hàng loạt yêu cầu về tương thích sinh học, kiểm soát nhiệt, độ bền và an toàn.

Tại sao in 3D quay đầu phun là bước tiến quan trọng?

Giá trị của phương pháp này không chỉ nằm ở việc tạo ra một loại “cơ bắp nhân tạo” mới. Điểm quan trọng hơn là cách nó chuyển một phần chức năng điều khiển từ phần cứng điện tử sang cấu trúc vật liệu.

Trong thiết kế robot thông thường, muốn một bộ phận thực hiện nhiều kiểu chuyển động thường cần nhiều bộ truyền động, cơ cấu truyền lực hoặc mạch điều khiển. Với LCE được lập trình khi in, một chi tiết duy nhất có thể mang sẵn thông tin về cách nó sẽ co, giãn hoặc xoắn.

Nhóm nghiên cứu gọi đây là hướng material-encoded programmability – khả năng lập trình được mã hóa trong vật liệu.

Nếu phát triển xa hơn, kỹ sư có thể thiết kế một robot mềm mà hình dạng, chuỗi chuyển động và một phần hành vi đã được xác định từ khâu in, thay vì phải bổ sung toàn bộ độ phức tạp sau đó bằng mô-tơ và dây dẫn.

Công nghệ vẫn còn giới hạn

Dù kết quả rất hứa hẹn, vật liệu chưa sẵn sàng để thay thế cơ bắp sinh học hoặc mô-tơ trong robot thông thường.

Trước hết, cấu trúc định hướng ba chiều hiện chủ yếu giới hạn ở các mẫu xoắn tương đối đơn giản. Những trường director phức tạp hơn sẽ cần độ chính xác cao hơn trong điều khiển đầu phun và quá trình đóng rắn.

Việc mở rộng kích thước cũng là một thách thức. Khi cấu trúc lớn hơn, việc duy trì sự sắp xếp phân tử đồng đều và đảm bảo tất cả các vùng phản ứng giống thiết kế trở nên khó khăn hơn.

Ngoài ra, kích hoạt bằng nhiệt thường có nhược điểm về tốc độ làm nóng và làm nguội. Quản lý nhiệt, hiệu suất năng lượng và độ ổn định qua nhiều chu kỳ sẽ là các thông số quan trọng nếu công nghệ được đưa vào robot hoạt động liên tục.

Nhóm tác giả cũng cho rằng những phiên bản tương lai cần tích hợp thêm cảm biến và cơ chế phản hồi vòng kín để robot không chỉ thực hiện chuyển động đã được lập trình, mà còn có thể tự điều chỉnh dựa trên trạng thái thực tế.

Từ in 3D đến “in chức năng”

In 3D lâu nay thường được hiểu là công nghệ tạo ra hình dạng. Nghiên cứu này cho thấy một hướng phát triển khác: máy in không chỉ quyết định vật thể trông như thế nào, mà còn quyết định vật thể sẽ hành động như thế nào.

Bằng cách quay đầu phun trong lúc đùn LCE, nhóm nghiên cứu đã đưa thông tin cơ học xuống cấp độ định hướng phân tử. Một sợi được in có thể mang sẵn “lệnh” co, giãn hoặc xoắn mà không cần thay đổi vật liệu nền.

Nếu khái niệm này tiếp tục được mở rộng, tương lai của robot mềm có thể không chỉ là những cỗ máy được lắp ráp từ nhiều linh kiện. Một phần chức năng của chúng có thể được in trực tiếp vào vật liệu ngay từ đầu.

Khi đó, “cơ bắp nhân tạo” sẽ không còn chỉ là một bộ truyền động thay thế mô-tơ. Nó có thể trở thành một cấu trúc vừa mang tải, vừa chuyển động, vừa ghi nhớ cách biến dạng – tất cả trong cùng một vật thể mềm được sản xuất bằng in 3D.

Nguồn tham khảo: Yuxuan Sun, Boxi Sun, Zhengqing Zhu và cộng sự, “Single-parameter programmed thermomechanical actuation via 3D-printed helical director fields in liquid crystal elastomers”, Nature Communications, tập 17, bài 6454, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-73204-y.