Không pin, không motor: Robot mềm tự nhảy liên tục chỉ nhờ ánh sáng hồng ngoại

Một robot nhỏ nằm bất động trên mặt đất. Không có pin trên thân, không có motor, cũng không cần người kéo lò xo hay đặt nó lại tư thế sau mỗi lần bật. Chỉ cần bật đèn hồng ngoại, vòng vật liệu mềm bắt đầu tự xoắn, tích năng lượng rồi bất ngờ đập phần “đuôi” xuống đất và phóng mình lên không trung.

Điều đáng chú ý nhất là sau khi nhảy, nó tự tháo xoắn, trở lại trạng thái ban đầu và bắt đầu chu kỳ tiếp theo. Miễn là ánh sáng hồng ngoại vẫn chiếu vào, quá trình có thể tiếp tục lặp lại mà không cần tín hiệu điều khiển theo từng cú nhảy.

Đó là cơ chế của một robot mềm tự reset do nhóm nghiên cứu tại North Carolina State University phát triển. Công trình được công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ngày 27/8/2026 với tên “A Self-Resetting Soft Ring for Autonomous, Continuous Leaping in Unstructured Environments”.

Phiên bản tối ưu có thể nhảy thẳng đứng cao hơn 80 lần chiều cao cơ thể, nhảy ngang xa hơn 3 lần chiều dài cơ thể và di chuyển trên nhiều bề mặt khó như cỏ, cát, đá, lớp mùn hay địa hình có chướng ngại vật.

Đằng sau màn trình diễn tưởng như đơn giản là một ý tưởng quan trọng của soft robotics: thay vì dùng chip và motor để điều khiển từng bước, một phần “logic” vận động có thể được mã hóa trực tiếp vào vật liệu và hình học của cơ thể robot.

Robot trông giống một vòng hình giọt nước

Thiết kế của nhóm nghiên cứu khá tối giản. Phần chính là một dải liquid crystal elastomer (LCE) — elastomer tinh thể lỏng — được uốn thành vòng có hình gần giống giọt nước.

Ở đầu nhọn của vòng là một ống nhôm mỏng được tạo thành hình chữ V. Thành phần cứng nhỏ này đóng vai trò cực kỳ quan trọng: nó biến chuyển động xoắn chậm của thân mềm thành một cú bật nhanh đủ mạnh để đưa robot rời mặt đất.

LCE là nhóm vật liệu có thể thay đổi hình dạng khi nhận kích thích như nhiệt hoặc ánh sáng. Trong robot này, vật liệu được thiết kế để phản ứng quang nhiệt với ánh sáng hồng ngoại.

Khi được chiếu bằng đèn hồng ngoại, bề mặt dải LCE co lại. Do hình học của vòng, biến dạng đó không chỉ làm thân cong mà khiến toàn bộ cấu trúc có xu hướng quay và xoắn.

Nếu không có phần đuôi chữ V cứng, vòng có thể chỉ lăn hoặc biến dạng một cách ít hữu ích. Nhưng đuôi cứng tạo ràng buộc hình học, khiến năng lượng xoắn tiếp tục tích tụ trong thân mềm.

Tích năng lượng chậm, giải phóng trong một cú “snap”

Cơ chế nhảy có thể hình dung giống việc vặn một sợi dây cao su rồi giữ nó trong trạng thái căng.

Ánh sáng không trực tiếp “đẩy” robot lên không trung. Thay vào đó, năng lượng từ ánh sáng trước tiên được biến thành biến dạng của vật liệu, rồi được lưu dưới dạng năng lượng đàn hồi trong cấu trúc xoắn.

Khi độ xoắn đạt tới một ngưỡng tới hạn, hệ thống chuyển trạng thái rất nhanh. Phần đuôi cứng xoay và bật xuống, va vào bề mặt bên dưới. Năng lượng đàn hồi được giải phóng trong thời gian ngắn, tạo công suất tức thời đủ lớn để phóng robot lên.

Trong cơ học, kiểu chuyển trạng thái nhanh này thường được mô tả bằng các khái niệm như snapping hoặc bất ổn định hình học. Nó cho phép một actuator mềm, vốn biến dạng tương đối chậm, tạo ra chuyển động bùng nổ nhanh hơn nhiều.

Đây cũng là nguyên lý thường thấy trong sinh học. Nhiều sinh vật nhỏ không dùng cơ bắp để trực tiếp tạo toàn bộ công suất của một cú nhảy. Chúng từ từ tích năng lượng trong mô đàn hồi rồi giải phóng gần như tức thời.

Điểm khó nhất không phải nhảy một lần, mà là tự chuẩn bị cho lần tiếp theo

Robot nhảy trong phòng thí nghiệm không phải điều mới. Khó khăn lớn hơn là tạo ra một hệ thống có thể nhảy liên tục mà không cần người can thiệp.

Sau một cú bật, nhiều cơ cấu cần motor kéo lò xo trở lại, cần một latch điện tử mở và đóng, hoặc cần người đặt lại tư thế. Điều này làm robot phức tạp, nặng hơn và tiêu tốn năng lượng.

Thiết kế mới giải quyết bài toán reset bằng chính pha bay.

Khi robot rời mặt đất và năng lượng xoắn đã được giải phóng, vòng LCE tự tháo xoắn. Trong lúc ở trên không và sau khi tiếp đất, cấu trúc trở lại gần hình dạng ban đầu. Ánh sáng hồng ngoại vẫn còn đó, vì vậy quá trình co, xoắn và tích năng lượng lại bắt đầu.

Kết quả là một vòng lặp khép kín:

1. Ánh sáng làm LCE biến dạng.
2. Thân robot tự xoắn và tích năng lượng đàn hồi.
3. Đuôi cứng đạt ngưỡng và bật xuống mặt đất.
4. Robot được phóng lên không trung.
5. Thân tự tháo xoắn và reset.
6. Chu kỳ bắt đầu lại khi ánh sáng tiếp tục chiếu.

Không cần bộ điều khiển phải phát lệnh “nhảy” ở mỗi chu kỳ. Chính tương tác giữa ánh sáng, vật liệu, hình học và mặt đất tạo ra nhịp vận động.

“Cứ nhảy mãi” không có nghĩa là máy chuyển động vĩnh cửu

NC State mô tả robot có thể tiếp tục nhảy “as long as the light is present”. Điều này rất khác với một cỗ máy tự tạo năng lượng.

Robot không mang pin trên thân, nhưng năng lượng vẫn đến từ bên ngoài dưới dạng bức xạ hồng ngoại. Đèn hồng ngoại cũng cần một nguồn năng lượng để hoạt động.

Vì vậy, cách hiểu chính xác là robot có thể duy trì chu kỳ vận động tự lặp dưới nguồn kích thích liên tục. Từ “forever” trong tiêu đề truyền thông của NC State nhấn mạnh khả năng tự reset về mặt cơ chế, không phải tuyên bố rằng vật liệu sẽ không bao giờ mỏi, hỏng hoặc xuống cấp.

Đây là điểm quan trọng vì nhiều hệ soft robot trước đây cũng có thể phản ứng với ánh sáng, nhiệt hay từ trường, nhưng muốn tạo chuyển động tuần hoàn thường phải điều chế nguồn kích thích: bật, tắt, thay đổi cường độ hoặc dùng một hệ điều khiển bên ngoài.

Ở robot này, nguồn sáng có thể giữ tương đối ổn định; cấu trúc tự tạo ra chu kỳ tích năng lượng và giải phóng.

Chỉ đổi một góc, robot có thể bò, nhảy tới hoặc nhảy thẳng lên

Một trong những kết quả thú vị nhất của nghiên cứu là hành vi của robot có thể được thay đổi chỉ bằng hình học của phần đuôi.

Theo nhóm NC State, khi góc chữ V ở đầu robot khoảng 120 độ, cấu trúc có xu hướng bò về phía trước thay vì bật lên rõ rệt.

Khi góc giảm xuống khoảng 90 độ, nó chuyển sang nhảy về phía trước.

Khi góc giảm tiếp xuống khoảng 50 độ, robot có thể ưu tiên chuyển động theo phương thẳng đứng.

Nói cách khác, không cần thay phần mềm điều khiển vì robot gần như không có “phần mềm điều khiển” theo nghĩa truyền thống. Một tham số hình học đã thay đổi cách năng lượng đàn hồi được truyền xuống mặt đất và từ đó thay đổi kiểu di chuyển.

Nhóm nghiên cứu còn cho thấy có thể tăng khoảng cách và độ ổn định của cú nhảy ngang bằng cách thêm một lượng khối lượng nhỏ ở đầu tròn của vòng. Việc dịch chuyển tâm khối lượng làm quỹ đạo cất cánh ổn định hơn.

Robot có thể nhảy cao hơn 80 lần chiều cao cơ thể

Trong cấu hình tối ưu, robot đạt độ cao vượt quá 80 body heights khi nhảy thẳng đứng.

Với chuyển động có hướng, nó có thể vượt quá 3 body lengths trong một cú nhảy.

Đây là những tỷ lệ đáng chú ý đối với một robot mềm kích thước milimet, nhưng cũng cần đọc đúng bối cảnh. “80 lần chiều cao cơ thể” là tỷ lệ tương đối; robot rất nhỏ nên con số này không tương đương một robot cỡ người nhảy cao hàng chục mét.

Lợi thế của kích thước nhỏ là khối lượng thấp. Một lượng năng lượng đàn hồi tương đối nhỏ cũng có thể tạo gia tốc lớn cho toàn bộ cơ thể.

Ngược lại, khi tăng kích thước lên nhiều lần, khối lượng, quán tính và tải cơ học không tăng theo cùng tỷ lệ. Vì thế cơ chế thành công ở millimeter scale chưa thể mặc định mở rộng nguyên xi sang robot lớn.

Cường độ ánh sáng cũng là một “núm điều khiển”

Không phải cứ chiếu càng mạnh thì robot càng hoạt động tốt.

Fangjie Qi, tác giả đầu của nghiên cứu, cho biết ánh sáng phải đủ mạnh để kích hoạt hành vi nhảy. Nhưng nếu cường độ quá cao, robot có thể bật theo cách thất thường và đi theo hướng khó dự đoán.

Điều này phản ánh bản chất phi tuyến của hệ thống. Tốc độ biến dạng của vật liệu, mức tích năng lượng, thời điểm phần đuôi snap và trạng thái cơ học khi robot chạm đất đều có thể thay đổi khi nhiệt độ hay công suất quang thay đổi.

Do đó, dù không có motor và bộ điều khiển điện tử trên thân, hệ thống vẫn có các tham số có thể dùng để điều chỉnh hành vi: hình học, phân bố khối lượng và cường độ chiếu sáng.

Từ mặt bàn ra cỏ, cát, đá và chướng ngại vật

Một robot nhảy tốt trên mặt phẳng sạch chưa chắc có ích ở môi trường thật. Nhóm nghiên cứu vì vậy đưa thiết kế thử trên nhiều loại địa hình.

Theo PNAS và NC State, robot có thể di chuyển qua dốc, các thanh chắn song song và những bề mặt không đồng đều như cỏ, cát, đá và mulch. Nhóm cũng trình diễn chuyển động tại giao diện đất–nước và trên bề mặt nước.

Nhảy có một lợi thế tự nhiên trong địa hình lộn xộn: robot không cần duy trì tiếp xúc liên tục với bề mặt.

Một robot bò có thể mắc kẹt khi gặp khe, sỏi hoặc cỏ cao. Một robot có bánh xe phụ thuộc mạnh vào độ bám và kích thước vật cản. Còn một cơ thể đủ nhỏ có khả năng bật lên có thể bỏ qua một phần chi tiết địa hình bằng cách bay qua nó.

Đó là lý do nhóm tác giả xem continuous leaping là chiến lược đáng quan tâm cho các môi trường khó dự đoán.

“Trí thông minh cơ học”: khi cơ thể làm một phần việc của bộ điều khiển

Nghiên cứu này là ví dụ rõ của xu hướng đôi khi được gọi là mechanical intelligence hoặc embodied intelligence.

Trong robot truyền thống, một chuỗi hành vi có thể cần sensor đo trạng thái, vi điều khiển xử lý dữ liệu, thuật toán quyết định thời điểm kích hoạt và motor thực thi lệnh.

Ở đây, nhiều bước được thay bằng vật lý:

• Vật liệu LCE biến ánh sáng thành biến dạng.
• Hình dạng vòng biến biến dạng thành xoắn.
• Đuôi cứng biến xoắn thành tích năng lượng có ngưỡng.
• Bất ổn định cơ học quyết định thời điểm giải phóng.
• Pha bay tự tháo xoắn và đóng vai trò reset.

Không có thuật toán phải đếm thời gian giữa hai lần nhảy. Không có motor phải đảo chiều để kéo một lò xo trở lại.

Điều đó không làm robot “thông minh” theo nghĩa AI. Nó cho thấy một phần chức năng điều khiển có thể được đưa ra khỏi phần mềm và nhúng vào chính vật liệu, cấu trúc và tương tác với môi trường.

Tại sao soft robot đặc biệt cần kiểu thiết kế này?

Robot mềm có ưu điểm là nhẹ, linh hoạt và chịu va chạm tốt, nhưng việc cấp nguồn và điều khiển thường là điểm yếu.

Một cơ thể mềm chỉ nặng vài chục hoặc vài trăm milligram có thể mất lợi thế nếu phải mang thêm pin, board điện tử, motor, gearbox và cơ cấu latch.

Ở quy mô rất nhỏ, bài toán càng nghiêm trọng. Pin không thu nhỏ về khối lượng và công suất theo cách thuận lợi như một miếng vật liệu polymer. Dây điện hoặc cơ cấu truyền động cũng nhanh chóng trở thành phần lớn khối lượng của robot.

Nguồn năng lượng từ xa — ánh sáng, từ trường, âm thanh hoặc nhiệt — vì vậy hấp dẫn với micro-robot. Nó cho phép robot bỏ bớt phần cứng mang theo.

Nhưng đánh đổi là robot phụ thuộc vào môi trường cung cấp năng lượng. Trong trường hợp này, nguồn hồng ngoại phải tiếp cận được vật liệu với cường độ phù hợp.

“Không motor” cũng không đồng nghĩa “không actuator”

Có một khác biệt thuật ngữ đáng lưu ý.

Robot không sử dụng motor quay kiểu điện cơ, nhưng bản thân LCE vẫn là một actuator vật liệu. Nó nhận năng lượng quang nhiệt và tạo biến dạng cơ học.

Vì vậy, chính xác hơn khi nói đây là robot không cần motor truyền thống, chứ không phải robot không có bất kỳ cơ cấu chấp hành nào.

Điểm mới nằm ở việc actuator, lò xo tích năng lượng và một phần logic reset gần như hội tụ vào cùng một cấu trúc mềm.

Không phải robot ánh sáng đầu tiên, nhưng cách tự reset rất đáng chú ý

Ý tưởng dùng vật liệu quang đáp ứng cho robot nhỏ đã được nghiên cứu từ nhiều năm. Cuối năm 2025, một nhóm tại UCLA và UC Davis cũng công bố robot mềm cỡ côn trùng nặng 301 mg có thể nhảy liên tục dưới ánh sáng, sử dụng tương tác giữa LCE, hiện tượng tự che sáng và snap-through để duy trì dao động.

Nghiên cứu của NC State đi theo một cơ chế khác: thân vòng tự xoắn để tích năng lượng, đuôi cứng snap xuống đất, còn quá trình tháo xoắn trong pha bay tự reset robot.

Điểm chung của các công trình này là một hướng phát triển quan trọng: biến nguồn kích thích không đổi thành chuyển động tuần hoàn mà không cần một bộ điều khiển điện tử chủ động bật tắt theo từng chu kỳ.

Có thể dùng robot này để làm gì?

Nhóm NC State thận trọng khi nói về ứng dụng. Jie Yin, tác giả liên hệ của bài báo, cho biết hiện chưa có ứng dụng tức thời cho thiết kế, nhưng đây là một tiến bộ cơ bản đáng nghiên cứu thêm.

Ba hướng được nhóm đề cập gồm:

• Điều hướng môi trường: robot rất nhỏ có thể đi qua địa hình mà bánh xe hoặc cơ cấu bò gặp khó khăn.
• Swarm robotics: cấu trúc đơn giản và không cần motor trên thân có thể phù hợp với ý tưởng triển khai số lượng lớn robot nhỏ.
• Môi trường phi cấu trúc: nhảy giúp vượt qua cỏ, sỏi, cát, khe và các vật cản nhỏ mà không cần lập bản đồ địa hình ở độ phân giải cao.

Trong dài hạn, các robot nhỏ kiểu này thường được hình dung cho theo dõi môi trường, khảo sát khu vực nguy hiểm hoặc tiếp cận các không gian khó với robot lớn.

Tuy nhiên, những ứng dụng đó đòi hỏi nhiều thành phần chưa có trong nguyên mẫu hiện nay như cảm biến, điều hướng, liên lạc, tải hữu ích và một nguồn năng lượng thực tế ngoài phòng thí nghiệm.

Nút thắt lớn: ánh sáng phải tới được robot

Cơ chế dùng ánh sáng từ xa có ưu điểm là bỏ pin, nhưng cũng tạo ra giới hạn dễ thấy nhất.

Nếu robot đi vào vùng không nhận đủ bức xạ hồng ngoại, khả năng tích năng lượng sẽ giảm hoặc dừng. Trong môi trường nhiều vật cản, nguồn sáng có thể bị che khuất.

Một đèn hồng ngoại trong phòng thí nghiệm có thể tạo trường chiếu tương đối kiểm soát được. Ngoài tự nhiên, góc chiếu, khoảng cách, nhiệt độ môi trường, bụi, nước và bề mặt phản xạ đều có thể ảnh hưởng.

Nếu muốn robot hoạt động sâu trong một cấu trúc sập, đường ống hay khu vực kín, kỹ sư sẽ phải giải quyết câu hỏi nguồn năng lượng từ xa được truyền tới đâu.

Điều khiển hướng vẫn còn rất thô so với robot có sensor

Việc thay đổi góc đuôi và tâm khối lượng giúp robot chọn kiểu chuyển động, nhưng đó chủ yếu là thiết kế trước khi hoạt động.

Một robot tự hành thực sự cần biết mình đang ở đâu, vật cản nằm phía nào và nên nhảy theo hướng nào tiếp theo.

Nguyên mẫu hiện tại chứng minh cơ chế locomotion chứ chưa phải một hệ tự hành hoàn chỉnh có perception và planning.

Trong tương lai, một câu hỏi thú vị là liệu có thể kết hợp cơ thể tự dao động này với những phương pháp điều khiển rất nhẹ — chẳng hạn chiếu sáng theo vùng, dùng vật liệu có nhiều miền đáp ứng, hoặc thêm sensor tối giản — mà vẫn giữ được lợi thế không cần motor và pin lớn.

Bài học lớn hơn: robot không nhất thiết phải “nghĩ” mọi chuyển động bằng chip

Trong kỷ nguyên AI, dễ hình dung robot như một máy tính có tay chân: camera gửi dữ liệu vào model, model quyết định hành động, motor thực hiện lệnh.

Soft robotics nhắc lại một góc nhìn khác. Cơ thể không chỉ là phần cứng thụ động chờ lệnh; hình dạng và vật liệu có thể trực tiếp tạo hành vi.

Một chiếc chân có độ đàn hồi đúng có thể tự hấp thụ va chạm mà không cần thuật toán. Một cấu trúc snap-through có thể tạo xung công suất mà không cần motor công suất lớn. Một vòng LCE được thiết kế đúng có thể tự tạo nhịp nhảy chỉ từ nguồn sáng liên tục.

Điều đó đặc biệt quan trọng khi robot ngày càng nhỏ. Ở kích thước milimet, việc thêm một chip, một pin hay một gearbox không còn là chi tiết nhỏ; nó có thể làm thay đổi hoàn toàn tỷ lệ khối lượng của hệ thống.

Robot “ring leaper” của NC State chưa phải một cỗ máy sẵn sàng đi làm nhiệm vụ ngoài thực địa. Nó chưa có hệ điều hướng thông minh, chưa tự tìm nguồn năng lượng và vẫn phụ thuộc vào ánh sáng hồng ngoại bên ngoài.

Nhưng thiết kế chứng minh một nguyên lý có giá trị: để tạo một robot hoạt động liên tục, đôi khi không cần thêm motor, pin hay bộ điều khiển phức tạp. Chỉ cần cơ thể được thiết kế sao cho vật lý tự hoàn thành một phần vòng lặp điều khiển.

Nguồn tham khảo

• Fangjie Qi và cộng sự, “A Self-Resetting Soft Ring for Autonomous, Continuous Leaping in Unstructured Environments”, PNAS, 27/8/2026.
• North Carolina State University, “Light-Powered Soft Robots Can Keep Jumping Forever”, 28/8/2026.
• Fangjie Qi và cộng sự, bản preprint của nghiên cứu về self-resetting soft ring.
• Wenzhong Yan và cộng sự, “Self-Sustained, Continuous Jumping of a Light-Driven Electronics-Free Insect-Scale Soft Robot”, Advanced Materials, 2025.