Da điện tử tự liền dưới nước cho robot khả năng cảm giác như con người

PGS. Tan Yu Jun (bên trái) và nghiên cứu sinh Mr Zhou Jinrun đang cầm các mẫu da điện tự tự liền của nhóm nghiên cứu 

Hệ thống này được gọi là Hệ thống cảm biến từ điện tự phục hồi (SMES). Đây là một loại “da” có tính đàn hồi, co giãn tốt, kết hợp khả năng cảm biến tiếp xúc và tiệm cận với chức năng tự phát hiện hư hại. Theo nhóm nghiên cứu, môi trường dưới nước là một trong những nơi khắc nghiệt nhất đối với các thiết bị điện tử nhạy cảm do nhiệt độ lạnh, áp suất cao, sự ăn mòn của muối và nguy cơ chập mạch khi nước xâm nhập. Thông thường, khi một thiết bị dưới nước bị hỏng, việc sửa chữa đòi hỏi phải đưa nó trở lại mặt đất, gây tốn kém và gián đoạn.

Để giải quyết vấn đề này, SMES đã học tập cơ chế từ làn da sinh học của con người: không chỉ cảm nhận được va chạm mà còn phát ra cảnh báo khi bị tổn thương và tự liền lại sau đó. Thiết kế của SMES bao gồm các lớp xếp chồng lên nhau được làm từ một loại chất đàn hồi mềm, co giãn và tự phục hồi, chứa các dây dẫn bằng kim loại lỏng để duy trì kết nối điện ngay cả khi da bị uốn cong hoặc kéo giãn.

Hệ thống hoạt động theo từng lớp, bắt đầu với khả năng phát hiện hư hại ở lớp trên cùng. Khi vật liệu bị đâm thủng hoặc cắt đứt, dòng điện bị gián đoạn khiến điện trở tăng đột biến. Mức tăng này đóng vai trò như một “tín hiệu đau” điện tử, thông báo cho hệ thống rằng một tổn thương thực sự đã xảy ra thay vì chỉ là một cú chạm thông thường. 

Khả năng tự liền nằm ở cấu trúc hóa học của chất đàn hồi vốn chứa các mạng lưới phân tử có tương tác thuận nghịch. Trong các thử nghiệm, những vết đâm nhỏ có thể tự phục hồi hiệu suất điện trong vài giây mà không cần can thiệp bên ngoài. Đáng chú ý, loại vật liệu này đạt hiệu suất phục hồi gần như 100% trong môi trường nước sau 10 ngày, vượt trội hơn nhiều loại vật liệu kết dính khác vốn thường gặp khó khăn trong môi trường ẩm ướt.

Một điểm độc đáo khác của SMES là cơ chế cảm biến tự cấp nguồn. Do sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ (sự thay đổi từ trường giữa nam châm và cuộn dây kim loại lỏng khi có áp lực hoặc chuyển động), bộ phận cảm biến không cần nguồn điện ngoài để nhận diện tiếp xúc hoặc sự gần kề của vật thể.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của hệ thống SMES của mình qua 2 mẫu thử nghiệm:

Găng tay lặn thông minh: Cho phép thợ lặn giao tiếp không dây thông qua các cử chỉ tay được truyền qua Bluetooth tới điện thoại. Đèn LED đỏ trên găng tay sẽ sáng lên nếu lớp da phát hiện hư hại nghiêm trọng.

Cánh tay robot dưới nước: Có khả năng cầm nắm vật thể và tự theo dõi các vết thủng do vỏ sò sắc nhọn gây ra. Hệ thống đèn tín hiệu (xanh, đỏ, vàng) giúp người vận hành biết được tình trạng “sức khỏe” hiện tại của cánh tay robot.

Mặc dù vẫn đang ở giai đoạn nguyên mẫu và cần thêm thời gian để hoàn thiện khả năng phục hồi đối với các vết cắt lớn nhưng các nhà khoa học tin rằng công nghệ này sẽ mở ra kỷ nguyên mới cho robot mềm, chi giả và các thiết bị đeo. Một robot kiểm tra dưới nước trong tương lai có thể tự cảm nhận đường đi dọc theo đường ống, nhận biết khi bề mặt của nó bị đâm thủng và tự sửa chữa mà không cần phải lập tức đưa lên mặt nước để bảo trì.