Kích thước nano, sức nâng nghìn ký lô

Ảnh phóng to sợi cơ nhân tạo mới

Sáng chế này có thể mở ra một tương lai vô tận cho các loại máy móc, và thậm chí có thể khiến con người có sức mạnh của siêu nhân.

Mạnh gấp 200 lần

Hiện nay, các bộ phận chuyển động trong robot, máy bay hay các loại máy móc khác chủ yếu nhờ các mô tơ quay. Vì vậy, từ lâu các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới cố gắng tạo ra những sợi cơ nhân tạo để gúp máy móc có thể chuyển động tự nhiên hơn. Ray Baughman - chuyên gia nano tại Đại học Texas ở Dallas (Mỹ) - đã dẫn đầu nhóm nghiên cứu chế tạo loại cơ mới.

Ông cho biết loại cơ mới có thể hoạt động tốt trong các thiết bị y tế nhỏ. Trong tương lai, cơ nhân tạo có thể được sử dụng để giúp robot biểu đạt cảm xúc trên gương mặt một cách tự nhiên hơn”, Baughman nói.

Loại cơ mới của nhóm Baughman được làm từ các ống nano carbon cực nhỏ xoắn lại với nhau theo cách tương tự người ta vẫn dệt len hay bông. Sau đó, họ lấp đầy khoảng trống trong các ống nano với các vật liệu khác nhau, bao gồm parafin - sáp nến.

Khi tiếp xúc với nhiệt, sáp paraffin nở ra làm các ống nano phình to và co ngắn lại. Khi sáp nguội, các ống nano lại co lại và dài hơn. Như vậy, cơ nhân tạo có thể co lại và kéo dài đồng thời chỉ trong vòng 25 mili giây (25/1.000 giây). Chính cơ chế co dãn nhanh như vậy khiến vật liệu có thể thực hiện được rất nhiều công việc, theo Ray Baughman.

Độ dài tối đa của một sợi cơ nhân tạo hiện tại là 1km. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu để làm cho chúng dài hơn nữa. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng tìm cách cải tiến để chúng cũng có thể phản ứng với hóa chất.

Đột phá

Thế hệ cơ nhân tạo trước đây hoạt động bằng điện và có chức năng tương tự tụ điện. Khi chất điện phân được bơm vào các sợi ống nano carbon, các ion từ chất điện phân lỏng khuếch tán thành sợi khiến nó có thể phình to và dài ra. Điều hạn chế là việc sử dụng chất điện phân giới hạn phạm vi nhiệt độ mà cơ nhân tạo có thể hoạt động. Ở nhiệt độ lạnh hơn, chất điện phân sẽ đặc hơn, làm chậm quá trình co dãn cơ. Nếu quá nóng, chất điện phân sẽ quá lỏng. Và cách dùng chất điện phân còn đòi hỏi thiết bị chứa, khiến hệ thống cơ nhân tạo nặng hơn.

Việc dùng sáp giúp chúng ta không cần đến chất điện phân, làm cơ nhân tạo nhẹ hơn, mạnh mẽ hơn và đáp ứng nhiều hơn. Khi nhiệt hoặc xung ánh sáng tác động vào sợi cơ sáp đường kính 200 micron (dày gấp đôi tóc người), sáp sẽ tan chảy và nở ra. Trong vòng 25 mili giây, nó sẽ khiến sợi cơ rút ngắn lại 10%. Ngoài ra, cơ nhân tạo mới còn có sức mạnh gấp 30 lần sức mạnh tối đa của cơ nhân tạo điện dung.

Trước mắt, các nhà nghiên cứu cho biết cơ nhân tạo mới có thể dùng dệt thành áo bảo hộ đồng phục cho lính cứu hỏa. Trang phục làm từ sợi đặc biệt này có ưu điểm lớn nhất là tự động khép kín các lỗ rỗng khi gặp lửa đột ngột. Ngoài ra, chúng có thể sử dụng cho các sản phẩm như máy cảm biến môi trường, nguyên liệu chế tạo máy bay. Giáo sư Mark Schulz của Đại học Cincinnati còn tin rằng cơ nhân tạo có thể dùng thay thế cơ sinh học, nếu người ta khiến chúng có thể tương hợp với cơ thể sống.

Hạn chế

Tuy nhiên, cơ nhân tạo mới vẫn còn nhiều điểm hạn chế. Một hạn chế lớn nhất là không hiệu quả và giới hạn về sự kết hợp giữa lực và vận tốc. Trong thực tế, chúng chỉ hoạt động hiệu quả được 1%, và nhóm nghiên cứu của Baughman hiện đang tìm cách để nâng con số này lên 10 lần. Một lựa chọn để nâng cao tính hiệu quả của cơ mới là dùng nhiên liệu hóa học chứ không phải điện để cung cấp năng lượng cho các cơ bắp. "Một cách để bù đắp cho sự thiếu hiệu quả là sử dụng nhiên liệu như methanol thay vì pin", Baughman nói. "Dùng nhiên liệu như methanol bạn có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn 20% so với dùng pin”.

Một vấn đề khác là sợi cơ càng dài thì tốc độ co lại hoặc dãn ra càng dài hơn. Hiện nay, 1 sợi cơ dài 1mm có thể nâng vật nặng 50 gam. Điều đó có nghĩa cần sợi cơ rất dài để nâng vật nặng vài tấn. Và khi đó, thời gian để sợi cơ hoạt động sẽ kéo dài gấp nhiều lần.

Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Science số ra ngày 15.11.