Robot thường phải tìm ổ cắm để sạc: Robot mềm này chỉ cần ngày nóng lên, đêm lạnh xuống

Với robot mềm dùng khí nén, hết năng lượng thường đồng nghĩa với việc phải nạp lại bình khí, thay pin hoặc nối thiết bị với một máy nén. Nhóm nghiên cứu tại AMOLF và Đại học Công nghệ Eindhoven chọn một nguồn “sạc” khác: nhịp nóng lên rồi lạnh xuống của môi trường trong một ngày.

Trong nghiên cứu đăng trên Nature Communications ngày 7/9/2026, Sergio Picella, Alberto Comoretto, Olivier Vaarkamp và Johannes T. B. Overvelde trình bày một hệ thống thermopneumatic có thể lấy nhiệt từ môi trường, tích nó dưới dạng áp suất khí nén rồi tự xả để vận hành cơ cấu robot mềm. Ở thử nghiệm ngoài trời, một chu kỳ nhiệt thực tế đủ để kích hoạt một actuator tự dao động 142 lần. Nhóm cũng dùng cùng nguyên lý để làm một robot mềm hai chi chuyển động.

Một bình khí nén được “sạc” bằng nhiệt

Thành phần quan trọng nhất của hệ thống không phải pin mà là một bình chứa không khí, bên trong có một túi mềm chứa chất lỏng có điểm sôi thấp. Trong các thử nghiệm, nhóm dùng khoảng 5 gram Novec 7000 trong túi TPU đặt trong một bình không khí cỡ 1 lít.

Khi nhiệt độ tăng, áp suất hơi của chất lỏng tăng theo. Túi mềm phồng lên và hoạt động gần giống một piston được kích hoạt bằng nhiệt: nó chiếm thêm thể tích trong bình và nén phần không khí còn lại. Khi áp suất vượt ngưỡng của van xả — khoảng 33–35 kPa trong cấu hình thử nghiệm — van mở và giải phóng khí nén để làm việc cơ học.

Điểm thú vị nằm ở nửa sau của chu kỳ. Khi môi trường nguội đi, chất lỏng ngưng tụ, áp suất trong bình giảm xuống. Một van một chiều cho phép không khí từ bên ngoài đi trở lại bình, đưa hệ thống về trạng thái có thể “sạc” cho chu kỳ tiếp theo. Toàn bộ quá trình nạp, xả và nạp lại có thể diễn ra bằng khí nén và cơ học, không cần bộ điều khiển điện tử.

Trong thí nghiệm có kiểm soát, nhóm vận hành một chu kỳ từ khoảng 27°C lên 43°C. Đây không phải mức nhiệt cực đoan đối với một vật thể đặt dưới nắng: mô hình nhiệt của nhóm tính đồng thời nhiệt độ không khí, bức xạ Mặt Trời, đối lưu và tổn hao bức xạ để ước tính nhiệt độ thực của hệ thống.

“Trái Đất nóng lên rồi lạnh xuống” thực ra là một chu kỳ nhiệt–ánh sáng

Ngày 27/6/2024, nhóm mang hệ thống ra ngoài tòa nhà AMOLF tại Amsterdam từ khoảng 9 giờ 15. Theo dữ liệu bổ sung của nghiên cứu, thiết bị mất xấp xỉ hai giờ để đạt áp suất mở van trong điều kiện hôm đó. Một chu kỳ nhiệt ngoài trời đã kích hoạt actuator tự dao động 142 lần.

Điều đó cũng cho thấy tiêu đề “robot chỉ cần Trái Đất nóng lên rồi lạnh xuống” là một cách nói rút gọn. Nhiệt độ không khí không phải lúc nào cũng đủ. Trong mô hình dùng dữ liệu thời tiết lịch sử năm 2024 tại nhiều địa điểm, nhóm nhận thấy bức xạ Mặt Trời có thể đóng vai trò lớn trong việc đưa hệ thống vượt qua ngưỡng kích hoạt, đặc biệt ở nơi nhiệt độ môi trường tự thân chưa đủ cao.

Ban ngày, thiết bị hấp thụ nhiệt và tích áp suất. Khi trời mát đi, quá trình ngưng tụ giúp nó nạp lại không khí. Về mặt chức năng, môi trường cung cấp cả pha “nạp” lẫn pha “reset”, nhưng năng lượng được lưu dưới dạng khí nén chứ không được biến thành điện rồi đưa vào pin.

Robot hai chi đã đi được, nhưng chưa phải nhờ một ngày nắng ngoài trời

Phần dễ gây hiểu nhầm nhất của nghiên cứu là thí nghiệm locomotion. Nhóm thực sự đã ghép hai actuator tự dao động vào một cấu hình robot mềm hai chi và dùng áp suất thu được từ chu kỳ thermopneumatic để tạo chuyển động. Tuy nhiên, thử nghiệm đi lại được thực hiện trong phòng lab.

Để mô phỏng pha nóng lên, các nhà nghiên cứu dùng súng nhiệt đặt ở 220°C và từ từ đưa nguồn nhiệt lại gần hệ thống. Trong lần thử này, pha xả kéo dài khoảng 42 giây. Ở một thí nghiệm lặp lại, nhóm chờ khoảng sáu giờ để hệ thống trải qua pha nguội và nạp lại trước khi kích hoạt chu kỳ tiếp theo.

Nói cách khác, nghiên cứu đã chứng minh hai mảnh ghép riêng: một cell thermopneumatic có thể thu năng lượng từ môi trường ngoài trời, và áp suất từ nguyên lý đó có thể làm một robot mềm di chuyển. Nó chưa phải màn trình diễn một robot đi ngoài trời liên tục qua nhiều ngày chỉ nhờ chu kỳ ngày–đêm.

Nạp chậm, xả nhanh

Kiến trúc này hợp với những hệ thống có thể chờ hàng giờ để tích năng lượng rồi thực hiện một tác vụ ngắn. Trong dữ liệu bổ sung, nhóm ước tính mật độ năng lượng riêng của cấu hình thử nghiệm vào khoảng 112,6 J/kg và mật độ công suất riêng khoảng 2,7 W/kg, tính từ pha xả 42 giây của thí nghiệm locomotion.

Những con số đó thấp hơn nhiều so với pin LiPo hoặc bình CO₂ áp suất cao thường được dùng cho robot không dây. Vì vậy, đây chưa phải một phương án thay thế pin cho robot cần chạy liên tục, mang tải lớn hoặc di chuyển nhanh. Lợi thế của nó nằm ở chỗ nguồn năng lượng môi trường có thể tự lặp lại mà không cần con người cắm sạc, trong khi phần điều khiển có thể giữ hoàn toàn bằng cơ–khí nén.

Điểm yếu hiện tại lại nằm ở chính chất lỏng giúp hệ thống hoạt động

Novec 7000 được chọn vì các đặc tính nhiệt động của nó phù hợp với mức nhiệt mà môi trường thực tế có thể cung cấp. Với cùng thiết kế van, mô hình của nhóm cho thấy Novec 7000 có thể đạt ngưỡng áp suất khoảng 35 kPa ở gần 43°C, trong khi acetone, ethanol và nước sẽ cần nhiệt độ cao hơn nhiều.

Đổi lại, Novec 7000 không phải lựa chọn lý tưởng về môi trường. Phần bổ sung của paper nêu giá trị global warming potential 100 năm là 530 và coi đây là một hạn chế lớn. Nhóm cũng thừa nhận chưa có dữ liệu đầy đủ về sự suy giảm lâu dài của TPU khi tiếp xúc với chất lỏng này; những mẫu ban đầu gần như không đổi khối lượng sau khoảng một năm, nhưng mức rò rỉ nhỏ vẫn khó đo khi lượng chất lỏng chỉ vài gram.

Các tác giả vì thế cho rằng những phiên bản tiếp theo cần thay đổi thiết kế để dùng chất lỏng thân thiện hơn mà vẫn đạt áp suất ở mức nhiệt tự nhiên. Họ cũng đề xuất các lớp màng cản tốt hơn, chẳng hạn film phủ kim loại, để hạn chế thất thoát chất lỏng.

Bước tiếp theo: cho robot tự sống qua nhiều chu kỳ thật

Thử nghiệm quan trọng tiếp theo không còn là chứng minh rằng nhiệt có thể tạo áp suất — cơ chế đó đã được quan sát cả trong lab lẫn ngoài trời. Điều cần chứng minh là một robot hoàn chỉnh có thể thu nhiệt ban ngày, vận động, nguội đi, tự nạp lại rồi lặp lại chu trình qua nhiều ngày trong điều kiện thời tiết thay đổi mà không cần nguồn nhiệt mô phỏng hay can thiệp của con người.

Nếu làm được điều đó với một chất lỏng ít gây tác động môi trường hơn và một cấu trúc bền qua nhiều tháng hoặc nhiều năm, thermopneumatics có thể trở thành một cách cấp năng lượng phù hợp cho những robot mềm hoạt động chậm, theo chu kỳ và ở nơi việc thay pin hoặc kéo dây nguồn là bất tiện. Đây là hướng sử dụng hẹp hơn nhiều so với “robot không cần sạc”, nhưng cũng thực tế hơn.

Nguồn chính: Nature Communications; Supplementary Material; TU Eindhoven Research Portal.