Không cần motor hay pin: Cách quả thông truyền cảm hứng cho vật liệu 3D tự thay đổi hình dạng

Quả thông không có motor, pin hay mạch điện, nhưng vẫn có thể tự mở khi không khí khô và khép lại khi độ ẩm tăng. Từ cơ chế tưởng như đơn giản đó, các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển một phương pháp giúp “dịch” cách vật liệu sinh học phản ứng với môi trường thành những cấu trúc in 3D có thể tự uốn hoặc xoắn khi gặp độ ẩm hay nhiệt độ phù hợp.

Công trình của Lee Marom, Skylar Tibbits, Gioele Zardini và Markus J. Buehler được công bố trên Journal of the Mechanics and Physics of Solids năm 2026. Thay vì chỉ quan sát hình dạng của quả thông rồi sao chép, nhóm MIT xây dựng một khung toán học mô tả cách phản ứng diễn ra qua nhiều cấp độ, từ sợi vật liệu nhỏ nhất tới lớp, mô, phần tử cấu trúc và cuối cùng là toàn bộ vật thể.

Điểm đáng chú ý là quy trình này không dừng ở mô phỏng. Sau khi xác định một hành vi mong muốn, hệ thống có thể chuyển mô hình thành thông số chế tạo và mã G-code để máy in 3D tạo ra vật mẫu. Trong các thử nghiệm, nhóm chế tạo bốn loại actuator hai lớp có thể uốn hoặc xoắn dưới tác động của độ ẩm hoặc nhiệt độ, với hình dạng thực tế gần với dự đoán của mô hình.

Quả thông tự chuyển động mà không cần năng lượng từ pin như thế nào?

Vảy của quả thông có thể thay đổi góc theo độ ẩm môi trường dù phần mô tạo ra chuyển động không cần trao đổi chất như cơ bắp. Khi không khí khô, quả thông mở các vảy để hạt dễ phát tán. Khi môi trường ẩm, các vảy khép lại, giúp bảo vệ hạt khỏi điều kiện không thuận lợi.

Cơ chế này xuất phát từ cấu trúc phân cấp của vật liệu. Sự thay đổi độ ẩm tác động trước tiên lên các sợi cellulose cực nhỏ. Các sợi hấp thụ hoặc giải phóng nước không giống nhau theo mọi hướng, tạo ra biến dạng bất đẳng hướng. Những biến dạng vi mô này được truyền lên các lớp sợi lớn hơn, tiếp tục tác động tới mô, vảy và cuối cùng làm thay đổi hình dạng của cả quả thông.

Nói cách khác, quả thông không có một “động cơ” riêng. Chính cấu trúc vật liệu đã được tổ chức sao cho môi trường cung cấp tín hiệu và năng lượng cần thiết để tạo chuyển động.

Đây cũng là ý tưởng cốt lõi phía sau các vật liệu thích nghi thụ động: thay vì gắn cảm biến, bộ điều khiển, motor và pin lên một cấu trúc, kỹ sư có thể thiết kế vật liệu để bản thân nó phản ứng trực tiếp với độ ẩm, nhiệt độ hoặc một kích thích vật lý khác.

MIT không chỉ bắt chước hình dạng quả thông

Biomimicry, hay thiết kế mô phỏng sinh học, không phải lĩnh vực mới. Nhiều vật liệu trước đây đã lấy cảm hứng từ quả thông, hạt cây, lá hoặc vỏ sinh vật để tạo ra các cấu trúc thay đổi hình dạng.

Vấn đề là quá trình chuyển từ một cơ chế sinh học sang sản phẩm kỹ thuật thường phụ thuộc nhiều vào thử-sai. Một kỹ sư có thể biết rằng quả thông cong lên nhờ các lớp vật liệu phản ứng khác nhau với nước, nhưng việc xác định loại polymer nào, hướng in ra sao, độ dày mỗi lớp bao nhiêu và cấu trúc cuối cùng sẽ biến dạng thế nào vẫn cần nhiều vòng thiết kế và thử nghiệm.

Nhóm MIT muốn biến quá trình đó thành một hệ thống có thể mô tả, kiểm chứng và tái sử dụng.

Lee Marom, tác giả chính của nghiên cứu, gọi cách tiếp cận này là bước đi từ “bio-inspiration” sang “bio-derivation”: không chỉ quan sát một hành vi đặc biệt trong tự nhiên mà phải nắm được các quan hệ và cơ chế thực sự tạo ra hành vi đó, sau đó chuyển chúng sang một hệ thống kỹ thuật theo cách có cấu trúc.

Từ sợi cellulose tới vật thể in 3D: năm cấp độ của một chuyển động

Để chứng minh phương pháp, nhóm chọn quả thông vì cơ chế phản ứng với độ ẩm của nó đã được nghiên cứu khá rõ. Khung toán học chia hệ thống thành nhiều cấp độ nối tiếp nhau.

Ở cấp nhỏ nhất là sợi, nơi độ ẩm tạo ra biến dạng theo các hướng khác nhau. Nhiều sợi hình thành một lamina, tức lớp vật liệu có đặc tính cơ học tổng hợp. Các lớp tiếp tục ghép thành mô, sau đó trở thành một phần tử cấu trúc có độ cong xác định. Cuối cùng, nhiều phần tử tạo thành toàn bộ vật thể, nơi độ cong của từng phần quyết định góc mở hay hình dạng tổng thể.

Điểm then chốt là mỗi bước chuyển từ cấp nhỏ sang cấp lớn đều được mô tả bằng quan hệ toán học. Nếu một cơ chế ở cấp sợi thay đổi, ảnh hưởng của nó có thể được truyền qua toàn bộ chuỗi để dự đoán vật thể cuối cùng sẽ phản ứng thế nào.

Cách làm này quan trọng vì trong vật liệu sinh học, hành vi vĩ mô thường không đến từ một linh kiện duy nhất. Nó là kết quả của nhiều cơ chế nhỏ liên kết qua nhiều thang kích thước.

Category theory: công cụ toán học giúp “lắp ghép” cơ chế

Để đảm bảo các bước trong chuỗi vẫn tương thích với nhau, nhóm MIT sử dụng category theory — lý thuyết phạm trù, một nhánh toán học tập trung vào các đối tượng, quan hệ giữa chúng và cách những quan hệ đó có thể được kết hợp.

Trong nghiên cứu này, mỗi cấp của hệ vật liệu được xem như một hệ động lực phản ứng với kích thích. Một phép ánh xạ hợp lệ phải bảo toàn cách hệ thống tiến triển từ trạng thái này sang trạng thái khác.

Lợi ích của cách tiếp cận này không nằm ở việc làm cho quả thông “toán học hơn”, mà ở khả năng tái sử dụng các khối thiết kế đã được kiểm chứng. Nếu một mô-đun mô tả phản ứng với nhiệt đã được xác nhận và một mô-đun khác mô tả chuyển động xoắn cũng đã được xác nhận, hệ thống có thể kết hợp hai mô-đun để tạo ra một thiết kế mới mà không phải xây lại toàn bộ mô hình từ đầu.

Đó chính là điều nhóm MIT thử nghiệm với actuator xoắn do nhiệt.

Bốn vật liệu biến hình: ẩm hoặc nhiệt, uốn hoặc xoắn

Khung thiết kế tạo ra bốn cấu hình actuator hai lớp, kết hợp hai loại kích thích với hai kiểu chuyển động:

• uốn khi gặp độ ẩm;
• uốn khi gặp nhiệt;
• xoắn khi gặp độ ẩm;
• xoắn khi gặp nhiệt.

Đối với các mẫu phản ứng với độ ẩm, nhóm sử dụng cặp vật liệu PA6-GF và PA612-CF, tức các polymer polyamide được gia cường bằng sợi thủy tinh hoặc sợi carbon. Hai lớp được in với hướng sợi khác nhau để tạo ra độ biến dạng không đồng đều khi hút ẩm.

Đối với các mẫu phản ứng với nhiệt, nhóm sử dụng PLA và PLA gia cường sợi carbon. Do hai vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau, sự thay đổi nhiệt độ tạo ra chênh lệch biến dạng giữa hai lớp, khiến mẫu uốn hoặc xoắn.

Hướng đặt sợi cũng đóng vai trò quan trọng. Với cấu hình uốn, hai lớp có thể được in vuông góc với nhau. Với cấu hình xoắn, các đường vật liệu được bố trí theo các góc đối xứng, chẳng hạn +45 độ và -45 độ, để chênh lệch biến dạng chuyển thành mô-men xoắn thay vì chỉ tạo độ cong.

Đây là in 3D hay in 4D?

Về phương pháp chế tạo, các mẫu được sản xuất bằng kỹ thuật fused filament fabrication (FFF), tức dạng in 3D phổ biến trong đó sợi nhựa nóng chảy được đặt từng lớp.

Tuy nhiên, khi một cấu trúc in 3D được thiết kế để tiếp tục thay đổi hình dạng sau khi chế tạo dưới tác động của môi trường, lĩnh vực này thường được gọi là in 4D. “Chiều thứ tư” ở đây là thời gian: vật thể không giữ nguyên hình dạng như một chi tiết in 3D thông thường mà tiếp tục biến đổi khi có kích thích.

Trong nghiên cứu của MIT, cấu trúc ban đầu được in phẳng. Sau đó, nước hoặc nhiệt tạo ra biến dạng khác nhau giữa các lớp, khiến mẫu cong hay xoắn theo hướng đã được tính trước.

Từ mô hình tới G-code cho máy in 3D

Một điểm khác biệt quan trọng của nghiên cứu là nhóm không dừng ở mô hình vật lý. Toàn bộ quy trình được triển khai trong Grasshopper, môi trường thiết kế tham số thường dùng cùng phần mềm Rhino.

Hệ thống nhận dữ liệu về kích thích, vật liệu, hình học và kiểu phản ứng, sau đó tính toán thiết kế phù hợp. Các thông số như hướng in, độ dày lớp, mật độ infill, tốc độ in và nhiệt độ đầu phun được kiểm tra để đảm bảo thiết kế vẫn nằm trong vùng có thể tạo ra hành vi mong muốn.

Sau bước xác minh, thiết kế được biên dịch thành G-code, tức tập lệnh mà máy in 3D có thể thực thi trực tiếp.

Về mặt ý tưởng, đây gần giống một “compiler cho vật liệu”: kỹ sư mô tả hành vi mong muốn ở cấp cao, còn hệ thống tìm cách chuyển nó thành cấu trúc vật lý và hướng dẫn chế tạo cụ thể.

Các mẫu thực tế có biến dạng đúng như dự đoán?

Nhóm MIT chế tạo cả bốn cấu hình bằng máy in FFF đa vật liệu rồi thử nghiệm phản ứng của chúng.

Đối với các mẫu phản ứng với độ ẩm, vật liệu được sấy khô trước rồi ngâm trong nước ở nhiệt độ phòng. Các mẫu phản ứng nhiệt được đặt trong nước gần sôi để tạo thay đổi nhiệt độ đủ lớn.

Kết quả đo cho thấy mẫu uốn do độ ẩm đạt góc khoảng 34,0 ± 2,8 độ, trong khi mẫu uốn do nhiệt đạt khoảng 55,7 ± 4,2 độ. Hai mẫu xoắn đạt lần lượt khoảng 41,3 ± 2,2 độ với kích thích độ ẩm và 23,3 ± 2,5 độ với kích thích nhiệt.

Theo nghiên cứu, hình dạng thực nghiệm khá gần với dự đoán của mô hình. Đáng chú ý, không cấu hình nào cần được thiết kế thủ công lại sau khi hệ thống tạo G-code đầu tiên.

Thiết kế xoắn do nhiệt là phần thú vị nhất

Trong bốn cấu hình, mẫu xoắn do nhiệt đặc biệt quan trọng đối với luận điểm của nghiên cứu.

Nhóm đã xây riêng một mô-đun mô tả phản ứng nhiệt từ trường hợp “uốn do nhiệt”, và một mô-đun mô tả chuyển động xoắn từ trường hợp “xoắn do độ ẩm”. Sau đó, hai phần được ghép lại trong cùng khung toán học để tạo ra actuator “xoắn do nhiệt”.

Thiết kế này không cần một quá trình suy dẫn mới từ đầu. Nó xuất hiện bằng cách kết hợp hai thành phần đã được kiểm chứng trước đó, rồi đi qua cùng pipeline tạo thông số sản xuất và G-code.

Đây là minh chứng ban đầu cho ý tưởng rằng một thư viện các cơ chế vật liệu có thể được kết hợp giống như các khối phần mềm. Khi thư viện lớn hơn, số tổ hợp vật liệu và hành vi tiềm năng cũng có thể tăng nhanh.

“Không cần motor hay pin” cần hiểu đúng

Các cấu trúc kiểu này có thể thay đổi hình dạng mà không cần gắn motor, servo hoặc pin trực tiếp vào vật thể. Nhưng điều đó không đồng nghĩa chuyển động xuất hiện từ “năng lượng miễn phí”.

Năng lượng vẫn đến từ môi trường. Với actuator hút ẩm, sự thay đổi hàm lượng nước tạo ra co giãn khác nhau giữa các lớp. Với actuator nhiệt, năng lượng nhiệt từ môi trường làm vật liệu giãn nở không đồng đều.

Trong thử nghiệm hiện tại, các mẫu phản ứng nhiệt còn được kích hoạt bằng nước gần sôi, nên chưa thể xem chúng như một cơ cấu hoạt động tự nhiên ở mọi điều kiện ngoài trời.

Ưu thế tiềm năng nằm ở việc bỏ bớt chuỗi linh kiện thường cần cho một cơ cấu chủ động: cảm biến phát hiện môi trường, bộ điều khiển xử lý tín hiệu, nguồn điện và motor tạo chuyển động. Nếu vật liệu có thể trực tiếp biến kích thích môi trường thành một chuyển động hữu ích, hệ thống cuối cùng có thể đơn giản, nhẹ và ít bảo trì hơn.

Từ mái nhà tự đóng mở tới robot mềm

MIT nêu một số hướng ứng dụng tiềm năng cho vật liệu thích nghi dạng này.

Mái và mặt dựng phản ứng với độ ẩm. Một cấu trúc lấy cảm hứng từ quả thông có thể đóng hoặc mở theo điều kiện môi trường, hỗ trợ thông gió hay làm mát thụ động mà không cần motor ở từng phần tử.

Robot mềm. Gripper hoặc cơ cấu robot có thể được thiết kế để tự thay đổi hình dạng khi gặp nhiệt độ hoặc độ ẩm nhất định, giảm nhu cầu sử dụng hệ điện tử phức tạp cho những tác vụ đơn giản.

Hàng không. Các cấu trúc morphing có thể giúp một phần cánh thay đổi hình dạng theo nhiệt độ hoặc điều kiện vận hành. Tuy nhiên, ứng dụng hàng không sẽ đòi hỏi mức độ kiểm chứng về độ bền, tốc độ phản ứng và an toàn cao hơn rất nhiều so với các mẫu thử hiện tại.

Thiết bị y sinh và wearable. Vật liệu có thể được lập trình để phản ứng với nhiệt, độ ẩm hoặc môi trường sinh học, mở ra khả năng tạo những cấu trúc tự điều chỉnh mà không cần nhiều bộ phận cơ khí.

Giới hạn: đây chưa phải “vật liệu thông minh” có thể làm mọi thứ

Kết quả của MIT chủ yếu chứng minh một phương pháp thiết kế, không phải một vật liệu thương mại hoàn chỉnh.

Các mẫu thử có cấu trúc tương đối đơn giản, gồm hai lớp và hai kiểu chuyển động cơ bản là uốn và xoắn. Điều kiện kích hoạt trong phòng thí nghiệm cũng được kiểm soát rõ ràng; chẳng hạn các mẫu nhiệt sử dụng nước gần sôi.

Để tiến tới sản phẩm thực tế, kỹ sư còn phải giải quyết nhiều vấn đề như tốc độ phản ứng, độ bền qua hàng nghìn chu kỳ, tác động của lão hóa polymer, khả năng giữ hình dạng dưới tải, độ ổn định ngoài trời và mức độ chính xác khi kích thước cấu trúc tăng lên.

Một vật liệu thụ động cũng khó thay thế hoàn toàn hệ cơ điện khi thiết bị cần phản ứng tức thì, lực lớn, điều khiển chính xác hoặc thay đổi hành vi theo lệnh số.

Từ “bắt chước thiên nhiên” tới thư viện cơ chế vật lý

Điểm đáng chú ý nhất của nghiên cứu có thể không nằm ở chính quả thông, mà ở cách nhóm MIT muốn biến tự nhiên thành một thư viện các cơ chế có thể mô tả và kết hợp.

Quả thông cung cấp cơ chế uốn do độ ẩm. Râu của hạt lúa mì cung cấp một ví dụ về chuyển động xoắn do độ ẩm. Về lý thuyết, những hệ sinh học khác — từ vỏ cây, vỏ hạt tới các mô có phản ứng cơ học phức tạp — cũng có thể được phân tích thành các khối chức năng tương tự.

Khi mỗi khối đã được mô tả và kiểm chứng, chúng có thể được ghép với vật liệu nhân tạo khác nhau để tạo ra hành vi mới. Nhóm nghiên cứu cho biết họ còn muốn đưa các mô hình trí tuệ nhân tạo vào pipeline nhằm đẩy nhanh quá trình khám phá vật liệu thích nghi.

Markus Buehler mô tả tầm nhìn rộng hơn là “physical AI”: những hệ AI không chỉ tạo ra ý tưởng trên màn hình mà có thể suy luận về cơ chế vật lý, chuyển ý tưởng thành vật chất và cuối cùng giúp chế tạo, thử nghiệm những thiết kế mới.

Quả thông cho thấy một hướng khác của “máy móc”

Trong kỹ thuật truyền thống, một cấu trúc đứng yên thường được biến thành máy bằng cách gắn thêm cảm biến, chip, động cơ và nguồn điện. Sinh học cho thấy có một lựa chọn khác: mã hóa một phần hành vi ngay vào cấu trúc của vật liệu.

Quả thông không “biết” độ ẩm đang tăng. Nó cũng không có bộ xử lý ra lệnh cho vảy đóng lại. Hình học, hướng sợi và đặc tính hút nước của vật liệu đã biến độ ẩm thành chuyển động một cách trực tiếp.

Khung thiết kế mới của MIT cố gắng biến logic đó thành thứ kỹ sư có thể tính toán, tái sử dụng và đưa thẳng tới máy in 3D. Nếu phương pháp được mở rộng thành công, những vật liệu tương lai có thể không cần nhiều linh kiện để trở nên “thông minh” hơn. Một phần khả năng cảm nhận và phản ứng có thể nằm ngay trong cách vật chất được cấu tạo.

Nguồn tham khảo

• MIT News, “Mathematical framework connects biological principles to manufacturable, adaptive materials”, 17/8/2026.
• Lee Marom, Skylar Tibbits, Gioele Zardini và Markus J. Buehler, “A Category-Theoretic Framework from Biological Mechanics to Engineered Stimulus-Response Systems”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2026.
• Bản preprint của nghiên cứu trên arXiv.