Robot mềm có thể tự “sạc” bằng nhịp nóng–lạnh mỗi ngày: Không pin, năng lượng được tích thành áp suất

Một robot muốn hoạt động lâu ngoài phòng lab thường phải mang theo pin, bình khí nén hoặc quay về một điểm sạc. Nhóm nghiên cứu tại AMOLF và Eindhoven University of Technology thử bỏ cả ba thứ khỏi một hệ robot mềm: họ để môi trường làm công việc “sạc”.

Nghiên cứu đăng trên Nature Communications ngày 7/9/2026 mô tả một bộ thu năng lượng nhiệt–khí nén có thể tích năng lượng từ chu kỳ nóng lên và nguội đi của môi trường. Thay vì tạo điện, hệ biến nhiệt thành áp suất khí. Khi áp suất đủ cao, một van cơ học tự mở và giải phóng khí nén để chạy soft actuator; khi nhiệt độ hạ xuống, hệ hút không khí trở lại và chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo.

Trong một thử nghiệm ngoài trời ở Amsterdam, một chu kỳ nhiệt thực đã cung cấp đủ năng lượng để kích hoạt một actuator tự dao động 142 lần. Nhóm cũng nối bộ thu năng lượng với một robot mềm hai chân và chứng minh nó có thể di chuyển. Tuy nhiên, hai kết quả này cần được tách rõ: thử nghiệm 142 lần kích hoạt diễn ra ngoài trời, còn demo robot hai chân được thực hiện trong phòng lab với súng nhiệt để mô phỏng quá trình nhiệt độ tăng.

“Sạc” ở đây không có nghĩa là nạp điện vào pin

Trung tâm của hệ thống là một bình chứa không khí khoảng 1 lít và một túi mềm chứa 5 gram chất lỏng có điểm sôi thấp Novec 7000. Ở áp suất khí quyển, chất này chuyển pha quanh 34°C — đủ thấp để phản ứng với mức nhiệt mà một thiết bị ngoài trời có thể đạt được khi kết hợp nhiệt độ môi trường và bức xạ Mặt Trời.

Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng bắt đầu bay hơi. Túi chứa nó nở ra bên trong bình, giống một piston mềm đang chiếm dần thể tích, từ đó nén lượng không khí còn lại và làm áp suất tăng. Nhóm nghiên cứu dùng một van xả áp cơ học có cấu trúc bistable: van giữ kín cho tới khi áp suất vượt ngưỡng khoảng 33–35 kPa so với môi trường, sau đó “snap” sang trạng thái mở và cho khí nén thoát ra.

Dòng khí này chính là năng lượng mà robot sử dụng. Nó có thể đi vào actuator khí nén để tạo chuyển động mà không cần motor điện, vi điều khiển hay mạch công suất.

Phần thú vị xảy ra sau khi hệ đã xả. Khi nhiệt độ môi trường giảm, Novec 7000 ngưng tụ trở lại thành chất lỏng. Áp suất trong bình giảm theo; khi xuống thấp hơn áp suất khí quyển, một van một chiều cho không khí bên ngoài đi vào bình. Hệ nhờ đó quay về gần trạng thái ban đầu mà không cần người vận hành bơm lại.

Chu kỳ này có ba pha rõ ràng: làm nóng để nén không khí, xả khí để sinh công, rồi làm nguội để nạp lại. Nói cách khác, thứ được “sạc” không phải pin hóa học mà là một trạng thái áp suất được tạo ra bằng nhiệt.

Tại sao phải chờ nhiệt độ lên rồi lại xuống?

Nếu chỉ làm nóng liên tục, hệ cuối cùng đạt cân bằng nhiệt và không thể tiếp tục tạo thêm chênh lệch trạng thái. Chính sự dao động mới cho phép chu kỳ lặp lại. Ban ngày, nhiệt độ và ánh nắng đưa chất lỏng về phía pha hơi, làm tăng áp suất. Khi môi trường nguội đi, chất lỏng ngưng tụ và tạo điều kiện để bình hút không khí mới vào.

Đây là lý do nhóm gọi nguồn năng lượng là các dao động nhiệt “circadian” của môi trường. Ý tưởng không phải khai thác một nguồn nóng cố định như động cơ hay đường ống công nghiệp, mà tận dụng nhịp nhiệt tự nhiên xuất hiện theo ngày.

Tuy vậy, “chỉ cần nhiệt độ lên xuống” là cách nói rút gọn. Mô hình của nhóm tính cả nhiệt độ không khí, bức xạ nhiệt, đối lưu và năng lượng hấp thụ từ ánh nắng. Phần bổ sung của paper cho thấy trong nhiều địa điểm, nhiệt độ không khí một mình thường chưa đủ để hệ vượt ngưỡng xả; bức xạ Mặt Trời có thể đóng vai trò lớn trong việc đưa bộ chứa tới nhiệt độ cần thiết.

Ở thử nghiệm ngoài trời ngày 27/6/2024 phía ngoài tòa nhà AMOLF tại Amsterdam, hệ mất khoảng hai giờ từ trạng thái ban đầu để đạt áp suất mở van. Các tác giả dùng dữ liệu thời tiết thực của ngày đó để hiệu chỉnh mô hình truyền nhiệt.

142 lần kích hoạt từ một chu kỳ nhiệt thực

Kết quả nổi bật nhất của thử nghiệm ngoài trời là một lần tích năng lượng từ môi trường đủ để kích hoạt actuator tự dao động 142 lần. Đây không có nghĩa hệ “sạc 142 lần” trong ngày. Bộ thu nhiệt tích áp trong một giai đoạn, sau đó xả lượng khí nén đã tích được qua actuator, khiến actuator thực hiện nhiều chu kỳ chuyển động.

Việc tách pha tích năng lượng và pha sử dụng năng lượng là khác biệt quan trọng với nhiều hệ thu năng lượng môi trường vốn chỉ có thể hoạt động khi nguồn năng lượng đang hiện diện. Robot ở đây có thể tích khí nén chậm trong nhiều giờ, sau đó dùng nó trong một khoảng thời gian ngắn hơn với công suất cao hơn.

Trong các phép đo của nhóm, bộ thu đạt mật độ năng lượng riêng khoảng 112,6 joule trên kilogram và mật độ công suất riêng khoảng 2,7 watt trên kilogram khi tính theo khoảng xả 42 giây của demo locomotion trong phòng lab. Những con số này thấp hơn nhiều so với pin LiPo hoặc bình CO2 áp suất cao; lợi thế của hệ không nằm ở việc cạnh tranh trực tiếp về mật độ năng lượng, mà ở khả năng tự lấy lại năng lượng từ môi trường mà không cần cắm sạc hay thay bình.

Robot hai chân đã đi được, nhưng demo vẫn ở cấp phòng lab

Để chứng minh khí nén thu được thực sự có thể làm nhiều hơn việc bật một actuator đơn lẻ, nhóm gắn hai actuator tự dao động vào một robot mềm hai chân. Khi khí được giải phóng, hai chi tạo chuyển động tuần hoàn và đẩy robot tiến về phía trước.

Nhưng đây chưa phải một robot được thả ngoài trời nhiều ngày rồi tự đi bằng chu kỳ nóng–lạnh tự nhiên. Phần Supplementary Information nói rõ demo locomotion dùng một súng nhiệt đặt ở 220°C và đưa dần lại gần hệ để mô phỏng nhiệt độ tăng. Sau lần chạy đầu, các nhà nghiên cứu chờ sáu giờ cho hệ nguội và tự nạp lại trước khi lặp chu kỳ.

Vì vậy, paper đã chứng minh hai mảnh ghép riêng biệt: bộ thu năng lượng có thể hoạt động bằng điều kiện nhiệt thực ngoài trời, và lượng khí nén từ chu kỳ nhiệt–khí nén có thể vận hành một robot mềm đi bộ. Bước chưa được chứng minh là một robot tích hợp hoàn chỉnh tự thu năng lượng, tự nạp lại và di chuyển qua nhiều chu kỳ ngày–đêm ngoài môi trường thực.

Chất lỏng giúp hệ chạy ở nhiệt độ thấp cũng là một giới hạn

Novec 7000 được chọn vì điểm sôi thấp. Theo mô hình của nhóm, hệ dùng nó có thể đạt áp suất kích hoạt khoảng 35 kPa ở khoảng 43°C. Các chất thay thế quen thuộc như acetone, ethanol hoặc nước cần nhiệt độ cao hơn nhiều trong cùng kiến trúc, khiến chúng khó tận dụng các dao động nhiệt môi trường thông thường.

Nhưng Novec 7000 lại có nhược điểm môi trường. Phần bổ sung của paper ghi nhận chất này có chỉ số global warming potential 100 năm khoảng 530 theo dữ liệu mà nhóm sử dụng. Các tác giả cũng thừa nhận nguy cơ rò rỉ chất lỏng qua túi mềm trong thời gian dài chưa được định lượng đầy đủ, dù những mẫu ban đầu không cho thấy thay đổi khối lượng rõ rệt sau khoảng một năm.

Đây không phải chi tiết phụ. Một hệ được thiết kế để hoạt động lâu ngoài trời sẽ mất ý nghĩa nếu chất làm việc có thể thoát dần ra môi trường. Nhóm cho rằng cần thay đổi thiết kế để dùng chất lỏng thân thiện hơn, hoặc cải thiện hàng rào chống khuếch tán của túi chứa, chẳng hạn dùng film có lớp nhôm.

Không pin không đồng nghĩa với năng lượng miễn phí

Hệ thống vẫn tuân theo cùng giới hạn nhiệt động lực học như mọi máy nhiệt. Năng lượng đến từ nhiệt môi trường và bức xạ Mặt Trời; thiết bị chỉ thu, tích và chuyển đổi nó sang áp suất khí. Hiệu suất cũng còn thấp: trong phần tính toán bổ sung, nhóm ước tính giới hạn trên lý thuyết cho cấu hình thử nghiệm dưới 1% trong một phân tích, và khoảng 1,6% trong một trường hợp mô hình khác ở 43°C. Các tác giả lưu ý hiệu suất thực nghiệm chính xác chưa được đo trực tiếp vì việc xác định toàn bộ dòng nhiệt vào và ra đòi hỏi hệ đo calorimetry phức tạp hơn.

Điều mà cách tiếp cận này đổi lại là thời gian. Một robot giám sát môi trường, cảm biến mềm hoặc cơ cấu chỉ cần hành động vài lần mỗi ngày không nhất thiết cần nguồn điện liên tục. Nó có thể dành hàng giờ thu năng lượng từ một quá trình rất chậm, rồi giải phóng nhanh khi cần làm việc.

Đó cũng là nơi ý tưởng có lý nhất. Bộ thu nhiệt–khí nén hiện chưa đủ năng lượng cho những robot cần chuyển động liên tục, xử lý hình ảnh hoặc chạy máy tính onboard. Nhưng với các hệ soft robotics không điện tử, nhiệm vụ thưa và yêu cầu bảo trì thấp, nhịp nóng–lạnh hằng ngày có thể trở thành một dạng “trạm sạc” không cần ổ cắm.

Bước tiếp theo không phải chứng minh nhiệt độ có thể làm robot cử động — nhóm đã làm được điều đó. Thử thách là tích hợp toàn bộ chu trình vào một robot ngoài trời thực sự, thay chất làm việc bằng lựa chọn ít tác động môi trường hơn và kiểm tra liệu hệ có còn tự nạp ổn định sau hàng trăm hoặc hàng nghìn chu kỳ ngày–đêm hay không.