Không pin, không motor: Robot mềm mới cứ nhảy mãi chỉ cần được chiếu ánh sáng

Một robot mềm nặng khoảng 301 mg có thể thực hiện 188 cú nhảy liên tiếp dưới một nguồn sáng không đổi mà không mang pin, motor điện hay bộ điều khiển điện tử. Trong các thử nghiệm kéo dài theo thời gian, nhóm nghiên cứu còn ghi nhận hơn 800 cú nhảy cộng dồn trong một năm mà không thấy suy giảm rõ rệt về chiều cao và chu kỳ nhảy.

Điều khiến thiết kế của nhóm tại UCLA và UC Davis đáng chú ý không phải việc ánh sáng có thể làm một vật liệu chuyển động — điều đó đã được chứng minh trong nhiều hệ soft robotics trước đây. Điểm mới nằm ở chỗ thu năng lượng, tạo lực và quyết định khi nào phải “nạp”, khi nào phải bật nhảy, khi nào phải reset đều được mã hóa vào vật liệu và hình học của robot. Không có vi điều khiển đứng giữa các bước đó.

Nghiên cứu mang tên Self-Sustained, Continuous Jumping of a Light-Driven Electronics-Free Insect-Scale Soft Robot, do Wenzhong Yan và các cộng sự thực hiện, được xuất bản trên Advanced Materials ngày 1/12/2025. Nhóm gọi cơ chế trung tâm là self-sustained, repeated snapping (SSRS) — cơ chế bật lặp lại tự duy trì.

Không motor không có nghĩa là không có actuator

Ở robot thông thường, một motor hoặc actuator điện biến năng lượng từ pin thành chuyển động. Robot này bỏ motor điện, nhưng vẫn cần một phần tử tạo lực: một dải liquid crystal elastomer (LCE), tức elastomer tinh thể lỏng có khả năng co giãn khi nhiệt độ thay đổi.

Trong thiết kế của nhóm, dải LCE dày khoảng 130 micromet được pha thêm muội nến để hấp thụ ánh sáng từ vùng khả kiến tới cận hồng ngoại. Năng lượng quang được chuyển thành nhiệt; khi nóng lên, LCE co theo một hướng. Dải vật liệu này được dán lên một thanh elastomer cong làm từ Dragon Skin 30, tạo thành một cấu trúc có khả năng tích trữ năng lượng đàn hồi.

Nếu thanh cong chỉ uốn từ từ theo LCE, robot sẽ không có đủ công suất tức thời để rời mặt đất. Nhóm nghiên cứu giải quyết vấn đề đó bằng snap-through instability: thanh cong bị ép tới một ngưỡng rồi đột ngột lật sang cấu hình ngược lại, gần giống cảm giác khi ấn một miếng nhựa cong cho đến lúc nó bật “tách” qua phía bên kia.

Trong thí nghiệm, sự kiện snap-through chỉ kéo dài khoảng 11 mili-giây. Đỉnh của thanh cong có thể đạt tốc độ xấp xỉ 680 mm/s tại thời điểm bật. Cơ cấu này vì thế hoạt động như một bộ khuếch đại công suất cơ học: LCE hấp thụ năng lượng tương đối chậm từ ánh sáng, còn thanh cong giữ năng lượng đó rồi giải phóng rất nhanh khi chạm ngưỡng mất ổn định.

Robot tự tạo vòng điều khiển bằng… cái bóng của chính nó

Nếu chỉ có LCE và thanh cong, hệ thống vẫn chưa thể tự lặp lại. Sau một lần bật, cần có cách ngừng gia nhiệt, để vật liệu nguội và quay về trạng thái ban đầu. Một hệ robot thông thường có thể dùng cảm biến, vi điều khiển và switch điện tử cho công việc này.

Nhóm UCLA chọn một giải pháp cơ học hơn nhiều: hai tấm chắn bằng PET phủ nhôm được gắn vào cấu trúc để chính chuyển động snap-through làm thay đổi lượng ánh sáng chiếu lên LCE.

Chu kỳ bắt đầu khi ánh sáng chiếu vào dải LCE. Vật liệu nóng lên, co lại và dần ép thanh cong về phía ngưỡng mất ổn định. Khi lực co đủ lớn, thanh đột ngột snap-through. Chính chuyển động này đồng thời làm hai tấm chắn che LCE khỏi nguồn sáng.

Mất ánh sáng, LCE bắt đầu nguội và giãn trở lại. Khi lực giảm xuống dưới một ngưỡng khác, thanh cong snap-back về cấu hình ban đầu. Hai tấm chắn lại mở ra, LCE nhận ánh sáng trở lại và chu kỳ bắt đầu từ đầu.

Đó là phần “tự duy trì” trong SSRS. Hệ không cần một chương trình viết bằng code để ra lệnh bật/tắt. Trạng thái cơ học của chính robot quyết định nó đang được chiếu sáng hay bị che bóng, tạo thành một vòng feedback quang–nhiệt–cơ học.

Từ một cơ cấu bật sang robot có thể nhảy lần thứ hai

Làm một vật thể bật khỏi mặt đất một lần chưa khó bằng khiến nó tự chuẩn bị cho lần nhảy tiếp theo. Robot có thể rơi nghiêng, lật mặt hoặc nằm sai tư thế khiến cơ cấu không thể phóng lần nữa.

Nhóm nghiên cứu thêm hai sợi carbon fiber làm thanh cân bằng vào khung gỗ balsa. Chúng gần như không làm tăng đáng kể khối lượng nhưng mở rộng vùng tiếp đất, giúp robot tự trở về tư thế phù hợp sau khi rơi. Khối cơ cấu snap-through chiếm khoảng 70% tổng khối lượng, cũng giúp phân bố trọng tâm để robot có xu hướng tiếp đất theo một hướng dự đoán được.

Với cấu hình này, robot nặng khoảng 301 mg có thể thực hiện chuỗi nhảy liên tục dưới ánh sáng không đổi. Trong một thử nghiệm, nó hoàn thành 188 cú liên tiếp mà không cần can thiệp bằng tay. Trong khoảng một năm, nhóm thực hiện hơn 800 cú nhảy cộng dồn và báo cáo không thấy suy giảm đáng kể về chiều cao hay chu kỳ hoạt động.

Con số “800 cú trong một năm” cần hiểu đúng: robot không nhảy liên tục suốt một năm. Đây là tổng số lần kích hoạt qua nhiều thử nghiệm trong khoảng thời gian đó. Tương tự, khi paper nói cơ chế về nguyên tắc có thể hoạt động vô thời hạn dưới nguồn sáng không đổi, thí nghiệm thực tế dài nhất được báo cáo trong một phiên là 188 cú liên tiếp.

Hình học quyết định robot nhảy thẳng hay nhảy tới trước

Không có motor hoặc servo để xoay chân, nhóm nghiên cứu điều khiển hướng bằng cách thay đổi hình học của chính thanh cong.

Với một cấu hình tương đối nông, thanh chuyển trạng thái theo một mode gần đối xứng và tạo lực chủ yếu theo phương thẳng đứng. Khi thanh được làm sâu hơn, snap-through đi qua một cấu hình dạng chữ S bất đối xứng. Lực bật lúc này có thêm thành phần ngang, khiến robot nhảy theo một hướng.

Ở một cấu hình thử nghiệm, robot đạt chiều cao khoảng 40 mm và tiến ngang khoảng 25 mm mỗi cú. Nhóm cũng cho robot vượt một chướng ngại cao 26 mm — khoảng 1,6 lần chiều cao thân — rồi tiếp tục chuỗi nhảy.

Khả năng này vẫn khác xa “tự điều hướng” theo nghĩa robotics hiện đại. Hướng di chuyển chủ yếu được định trước bằng hình học và vị trí các phần phản xạ; robot không có camera, localization hay thuật toán lập kế hoạch đường đi trên bo mạch.

Một mảnh giấy pH biến nó thành robot dò khí đơn giản

Để minh họa khả năng mang cảm biến, nhóm gắn một mảnh giấy thử pH ẩm nặng khoảng 8 mg cùng một reflector nhỏ lên robot. Cấu hình hoàn chỉnh nặng khoảng 315 mg.

Trong một thí nghiệm mô phỏng rò rỉ ammonia, robot bắt đầu cách điểm rò khoảng 138 mm. Dưới ánh sáng mô phỏng ở cường độ khoảng 1020 mW/cm², nó di chuyển 185 mm qua bốn cú nhảy trong 208 giây, với chiều cao nhảy trung bình khoảng 30 mm. Khi tới gần nguồn ammonia, giấy pH đổi từ vàng sang đỏ.

Đây là một demo cảm biến thụ động, không phải robot tự phân tích khí. Giấy pH tự đổi màu theo hóa học; nếu triển khai thực tế, trạng thái đó vẫn cần được quan sát từ bên ngoài hoặc kết hợp với một hệ truyền dữ liệu siêu nhẹ.

Robot còn chịu được một thử nghiệm tải ngắn với khối lượng 500 g — xấp xỉ 1.700 lần trọng lượng của chính nó — rồi tiếp tục nhảy sau khi tải được bỏ ra. Chuyển động snap-through nhanh cũng có thể hất một phần hạt bám trên bề mặt, tạo hiệu ứng tự làm sạch trong thử nghiệm.

“Chỉ cần ánh sáng” hiện vẫn có một dấu hoa thị lớn

Phần dễ bị hiểu quá mức nhất của nghiên cứu là nguồn năng lượng. Robot đúng là không mang pin và không cần dây cấp điện, nhưng các thí nghiệm trong phòng lab sử dụng nguồn sáng khá mạnh. Chuỗi nhảy tự động được báo cáo ở cường độ xấp xỉ 984 mW/cm²; các thử nghiệm khác của cơ cấu nằm quanh 792–1020 mW/cm².

Nhóm đã đưa robot ra ngoài trời và cho nó nhảy bằng ánh sáng Mặt Trời tự nhiên, nhưng ánh sáng phải được hội tụ bằng thấu kính Fresnel. Trường sáng thu được có kích thước khoảng 15 × 15 cm và cường độ khoảng 1270 mW/cm². Trong thí nghiệm ở Los Angeles với nhiệt độ môi trường 28°C, nhóm còn đặt robot trên một tấm làm mát ở 18°C để đẩy nhanh quá trình nguội và snap-back. Ở điều kiện mát hơn, khoảng 14°C và có gió 16 km/h, robot có thể lặp lại cú nhảy mà không cần làm mát ngoài.

Nói cách khác, thiết kế đã chứng minh rằng ánh sáng môi trường có thể cung cấp năng lượng cho toàn bộ chu kỳ, nhưng chưa phải một robot chỉ cần đặt dưới nắng bình thường ở bất kỳ nơi nào là sẽ hoạt động. Chính các tác giả xác định việc giảm cường độ ánh sáng kích hoạt để có thể vận hành trực tiếp dưới nắng tự nhiên là một hướng cần tối ưu tiếp.

Điểm mới nằm ở việc biến vật liệu thành một phần của “bộ điều khiển”

Ở quy mô dưới một gram, pin, motor, PCB và dây dẫn không chỉ chiếm khối lượng; chúng còn làm tăng số thành phần cần tích hợp và lượng năng lượng tiêu thụ. Robot của UCLA và UC Davis thử một kiến trúc khác: để một vật liệu cùng lúc thu năng lượng, tạo lực và tham gia vào logic điều khiển; để hình học quyết định thời điểm giải phóng năng lượng; và để các tấm chắn cơ học đóng vai trò feedback.

Cách tiếp cận đó không biến robot thành một cỗ máy thông minh theo nghĩa có khả năng nhận thức hay ra quyết định phức tạp. Nhưng nó cho thấy một dạng physical intelligence: một phần hành vi vốn thường được giao cho điện tử và phần mềm có thể được đưa xuống cấp vật liệu và cấu trúc.

Khoảng cách từ demo này tới robot cứu hộ hoặc mạng cảm biến môi trường vẫn còn lớn. Hệ thống cần hoạt động ở cường độ sáng thấp hơn, kiểm soát hướng chủ động hơn, tích hợp sensing và communication thực sự, đồng thời phải chứng minh độ bền ngoài điều kiện phòng lab.

Bước tiếp theo vì thế không phải chứng minh robot có thể nhảy lần thứ 189. Điều quan trọng hơn là liệu cơ chế tự che sáng và snap-through có còn hoạt động ổn định khi nguồn sáng thay đổi, nhiệt độ môi trường dao động, bề mặt tiếp đất không bằng phẳng và robot phải mang một cảm biến có ích. Nếu làm được, “không pin, không motor” sẽ không chỉ là một demo đẹp về vật liệu thông minh, mà trở thành một kiến trúc thực tế cho robot cực nhỏ.