Microrobot không chỉ cần biết bơi hay bò: Hệ mới phối hợp để “chỉnh sửa” nhiệt độ môi trường quanh mình

Phần lớn microrobot được phát triển trong hai thập kỷ qua tập trung vào một câu hỏi cơ bản: làm sao khiến một vật thể nhỏ hơn sợi tóc di chuyển có kiểm soát. Chúng đã có thể bơi, bò, mang hàng, cảm nhận môi trường và thậm chí giao tiếp. Một nhóm tại Cornell University vừa thử đẩy bài toán sang bước khác: thay vì chỉ đi qua môi trường, robot có thể cảm nhận nó rồi phối hợp để làm thay đổi chính môi trường đó.

Trong nghiên cứu công bố ngày 23/9 trên Nature Electronics, nhóm của Itai Cohen cùng các cộng sự tích hợp cảm biến nhiệt, logic CMOS và actuator điện hóa vào một hệ robot vi mô điều khiển các “lông chuyển” nhân tạo. Các cilia này bơm chất lỏng theo hướng và tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ xung quanh. Khi dòng chảy làm thay đổi phân bố nhiệt, cảm biến lại nhận thấy thay đổi đó và điều chỉnh hành vi tiếp theo. Kết quả là một vòng phản hồi khép kín giữa robot và môi trường.

“Chỉnh sửa môi trường” trong thí nghiệm này cần được hiểu rất cụ thể: hệ thống không đào, xây hay tái cấu trúc vật chất như một đàn kiến. Nó bơm chất lỏng để dịch chuyển nhiệt và thay đổi trường nhiệt cục bộ. Đây vẫn là một thay đổi vật lý có thể đo được, nhưng ở mức phòng lab và trên một cấu trúc cố định.

Từ robot biết di chuyển sang robot biết tác động ngược lên môi trường

Microrobot từ lâu đã được lấy cảm hứng từ vi sinh vật. Vi khuẩn dùng roi để bơi; paramecium dùng hàng nghìn cilia vừa để di chuyển vừa để tạo dòng chất lỏng giúp lấy thức ăn và phản ứng với môi trường. Trong các hệ nhân tạo, những chức năng này thường được tách rời: robot có cơ cấu chuyển động, cảm biến hoặc mạch điều khiển, nhưng khả năng cảm nhận một biến môi trường rồi cùng nhau thay đổi biến đó vẫn khó thực hiện ở kích thước vi mô.

Nhóm Cornell lấy cảm hứng trực tiếp từ cilia của paramecium. Mỗi lông chuyển nhân tạo có hai khớp và thực hiện một chuyển động kiểu mái chèo không thuận nghịch: các khớp gập theo một trình tự để đẩy chất lỏng theo một hướng, thay vì chỉ dao động qua lại rồi triệt tiêu tác dụng. Kiến trúc hai khớp cho phép hướng bơm được lập trình bằng tín hiệu điện tử.

Các actuator được chế tạo từ lớp titanium và palladium, tích hợp lên nền CMOS cùng mạch điều khiển. Hệ thống hoạt động trong dung dịch phosphate-buffered saline. Nguồn điện cho mạch và actuator đến từ các vùng photovoltaic kích thước vi mô được chiếu bằng laser 635 nm.

54 cilia không tự “thảo luận” với nhau — hai mạch CMOS mới là phần điều phối

Một chi tiết dễ bị phóng đại khi nói về “robot swarm” là ai thực sự giao tiếp với ai. Trong demo của Cornell, nhóm sử dụng một mảng 6 × 9, tức 54 cilia có khớp, cùng hai mạch cảm biến nhiệt được ghép nối theo vai trò leader và follower. Các mạch gửi những xung điện áp cho nhau và khóa pha dao động, nhờ đó các cilia có thể đập đồng bộ.

Cơ chế này được nhóm liên hệ với hiện tượng đồng bộ ở đom đóm. Mạch nào dao động nhanh hơn trở thành leader; mạch còn lại bị kéo về cùng tần số với một độ lệch pha xác định. Kết quả không phải 54 robot độc lập trao đổi thông điệp, mà là một hệ điều khiển phân tán quy mô nhỏ khiến nhiều actuator phối hợp hành động.

Ở chế độ cảm biến nhị phân, mạch có thể đổi cấu hình đầu ra khi nhiệt độ vượt ngưỡng. Paper cho biết cảm biến chuyển trạng thái quanh 26 °C và 30 °C trong thiết lập thử nghiệm, còn cilia được vận hành ở tần số 1,6 Hz. Khi nhiệt độ thay đổi, hướng bơm có thể đảo chiều.

Ba cách để nhiệt độ biến thành hành vi

Nhóm nghiên cứu trình diễn ba chế độ phản hồi khác nhau. Với binary sensing, hệ chỉ cần biết nhiệt độ nằm phía nào của ngưỡng để đảo hướng bơm. Nhóm đã tạo dòng chảy một chiều có thể đảo hướng, một vortex có thể đảo chiều quay và một cặp vortex quay ngược nhau cũng có thể đổi chiều khi nhiệt độ thay đổi.

Ở chế độ continuous sensing, tần số dao động thay đổi liên tục theo nhiệt độ. Nhiệt độ tăng làm oscillator chạy nhanh hơn, kéo tốc độ đập của cilia và tốc độ bơm chất lỏng tăng theo. Hệ không chỉ trả lời “nóng hay lạnh”, mà có thể điều chỉnh cường độ phản ứng theo mức nhiệt.

Chế độ thứ ba dùng gradient sensing. Hai mạch ở hai vị trí khác nhau cảm nhận chênh lệch nhiệt độ; mạch ở phía có điều kiện phù hợp sẽ trở thành leader. Khi gradient nhiệt bị đảo, vai trò leader/follower cũng đổi và dòng bơm đổi hướng. Trong thiết lập của paper, gradient thử nghiệm khoảng 0,5 °C mỗi milimet.

Vòng phản hồi mới là phần quan trọng nhất

Nếu chỉ dừng ở việc nhiệt độ điều khiển cilia, đây vẫn là một hệ cảm biến–actuator thông thường. Phần đáng chú ý của nghiên cứu xuất hiện khi hoạt động của cilia quay trở lại thay đổi chính đại lượng mà chúng đang đo.

Trong thí nghiệm closed-loop, mảng cilia bơm chất lỏng từ vùng lạnh về phía vùng nóng. Dòng chảy đối lưu này làm biến dạng phân bố nhiệt cục bộ. Nhiệt độ mới lại tác động lên tần số của hai oscillator, từ đó thay đổi nhịp cilia. Paper mô tả đây là một vòng tương tác giữa phản ứng của mạch, chuyển động của actuator và trường nhiệt.

Đây là điểm gần với những hệ sinh học hơn một robot chỉ thực hiện lệnh từ bên ngoài. Một đàn sinh vật không chỉ đọc môi trường; hành động của chúng cũng thay đổi môi trường, và thay đổi đó trở thành tín hiệu cho vòng hành vi kế tiếp. Tổ mối, đàn ong hay quần thể vi sinh vật đều có những dạng coupling như vậy ở quy mô rất khác nhau.

Nhưng những “robot” này hiện chưa tự đi đâu cả

Headline về microrobot dễ gợi hình ảnh hàng chục cỗ máy nhỏ tự do bơi qua mạch máu rồi cùng nhau sửa chữa mô. Nghiên cứu hiện tại chưa làm được điều đó. Mảng 54 cilia được gắn cố định trên chip; hai mạch cảm biến cũng ở vị trí định trước. Hệ thống được đặt trong đĩa Petri và cần nguồn sáng laser để cấp điện qua các micro-photovoltaic.

Cornell nói rõ rằng phiên bản tương lai mới có thể chuyển ý tưởng này sang các robot độc lập có khả năng đi bộ, phản ứng với ánh sáng hoặc pH, rồi kích hoạt chuyển động cơ học hay phản ứng hóa học tùy môi trường. Những khả năng đó là hướng phát triển, không phải chức năng đã được chứng minh trong paper hiện tại.

Ngay cả khái niệm “cùng nhau điều chỉnh môi trường” cũng mới ở quy mô nhỏ. Demo dùng hai oscillator ghép nối để điều khiển một mảng cilia; chưa có bằng chứng cho thấy hàng trăm hay hàng nghìn robot di động có thể tự tổ chức, duy trì liên lạc, chia sẻ năng lượng và tạo tác động môi trường ổn định trong một không gian phức tạp.

Tại sao khả năng này vẫn đáng theo dõi?

Microrobot thường được hình dung như phương tiện giao thuốc hoặc cảm biến di động. Nhưng nếu một robot có thể vừa cảm nhận vừa thay đổi môi trường, chức năng của nó rộng hơn nhiều. Trong một hệ vi lưu, chẳng hạn, một nhóm actuator có thể chủ động điều hướng chất lỏng tùy theo nhiệt độ hoặc nồng độ hóa chất. Trong tương lai xa hơn, các robot di động có thể phản ứng với pH, ánh sáng hay tín hiệu sinh hóa rồi phối hợp để tạo dòng chảy, giải phóng chất hoặc kích hoạt một phản ứng tại đúng vị trí.

Cornell nhắc tới các ứng dụng y sinh và nông nghiệp như những hướng tiềm năng. Tuy nhiên, paper chưa thử nghiệm trong động vật, mô sống hay môi trường ngoài phòng lab, nên chưa thể suy ra tính khả thi của các ứng dụng đó.

Bước tiếp theo quan trọng không phải làm cilia đập nhanh hơn. Nhóm cần đưa vòng phản hồi cảm nhận–hành động này lên các robot có thể tự di chuyển, rồi chứng minh nhiều robot độc lập vẫn có thể đồng bộ và tác động môi trường khi vị trí, nguồn năng lượng và tín hiệu liên lạc không còn được kiểm soát chặt như trên một chip cố định. Khi đó, microrobot mới thực sự chuyển từ những cỗ máy “đi trong môi trường” thành những tác nhân có thể cùng nhau thay đổi nó.

Nguồn: Nature Electronics — Microscopic robots that sense and reshape their environment; Cornell University — Microscopic robots inspired by fireflies, cilia, sync to reshape surroundings.