Một loại vật liệu mới đầy hứa hẹn có thể bắt chước cấu trúc và chức năng cơ bắp của con người

Bắt chước cơ thể con người

đặc biệt là các bộ truyền động hay bộ chấp hành (actuators) điều khiển chuyển động của cơ bắp là lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm rất nhiều trên thế giới. Trong những năm gần đây, những khám phá mới trong lĩnh vực này đã dẫn đến nhiều tiến bộ quan trọng trong chế tạo robot, chân tay giả, quần áo thông minh và hơn thế nữa, tuy nhiên việc tạo ra những bộ truyền động này thường rất phức tạp, vì các vật liệu để chế tạo chúng thường đắt tiền và khó tìm.

 

Cảm hứng

lấy từ chính cấu trúc của cơ bắp con người, các nhà nghiên cứu tại Đại học Penn State và Đại học Texas tại Austin đã hợp tác cùng nhau khám phá ra quy trình tạo ra một loại sợi truyền động (fibre actuators) mới có thể hoạt động giống như một cơ bắp nhân tạo nhưng tốt hơn so với nhiều phương pháp đã có từ trước tới nay. Và quan trọng nhất, những sợi truyền động như sợi cơ này rất đơn giản để chế tạo và tái chế.

 

 

 

 

 

Cơ bắp nhân tạo

 

Robert Hickey – Assistant Professor của Khoa học và kỹ thuật vật liệu tại trường Đại học Penn State giải thích: “Bộ truyền động hay bộ chấp hành (Actuators) có thể được hiểu đơn giản là bất kỳ vật liệu nào mà bị thay đổi hoặc biến dạng dưới bất kỳ kích thích bên ngoài nào, như các bộ phận của máy móc thì sẽ co lại, uốn cong hoặc giãn nở. Và đối với các công nghệ như robot, chúng ta cần phát triển các phiên bản mềm mại, nhẹ từ những vật liệu này để nó có thể hoạt động như cơ bắp nhân tạo. Do vậy, công việc thực sự của chúng tôi là tìm ra một phương pháp mới để làm được điều này ”.

 

Manish Kumar bổ sung thêm: “Về cơ bản, bạn có thể tạo ra một chi như cánh tay từ những sợi này cho một robot có thể phản ứng lại với các kích thích và hoàn lại lực, thay vì việc sử dụng động cơ cơ học để làm điều đó, và điều này sẽ tạo ra cảm giác mềm mại tốt hơn”. Ông là Associate Professor tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Kiến trúc và Môi trường của Trường Kỹ thuật Cockrell thuộc Đại học Texas và là một trong những tác giả chính của bài báo.

 

Loại cánh tay robot này có thể được sử dụng trong một khung trợ lực giúp những người có cánh tay yếu lấy lại khả năng vận động và sức mạnh. Các nhà nghiên cứu cho biết thêm một ứng dụng tiềm năng khác có thể là một loại “băng gạc tự dính – self-closing bandage ” có thể được sử dụng trong phẫu thuật và tự tan bên trong cơ thể khi vết thương lành.

 

Một viễn cảnh trong tương lai đang đến gần

Viễn cảnh một thế giới mới như trong phim khoa học viễn tưởng Westworld đang dần trở thành hiện thực. Khi mà người máy có thể được in 3D từ những vật liệu mềm (soft material) và dường như không có sự khác biệt về khả năng vận động uyển chuyển, linh hoạt, mềm mại giữa người máy – người thật. Một chương mới trong lịch sử loài người sẽ mở ra khi xuất hiện thế hệ người máy mới này (Robot) + trí tuệ thông minh nhân tạo (AI). Trích đoạn Intro của phim: Westworld

 

Cùng nhau thực hiện

 

Do vậy, nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình gồm hai bước để tạo ra sợi truyền động mô phỏng cấu trúc của sợi cơ và các sợi này vượt trội trên một số khía cạnh so với các bộ truyền động hiện tại khác như hiệu suất, biến dạng truyền động (actuation strain) và các đặc tính cơ học linh hoạt hơn. Các sợi này có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau trong y học và robot. Và những phát hiện này của họ đã được công bố vào ngày (2 tháng 6) trên tạp chí danh tiếng Nature Nanotechnology (“Nanostructured block copolymer muscles”).

 

Cùng ngày, cùng tạp chí, một công bố khác rất đáng chú ý của nhóm tác giả Shaoting Lin & Xuanhe Zhao (rất nổi tiếng trong lĩnh vực này) của trường ĐH MIT cũng đã thảo luận về tác động của nghiên cứu: Nanostructured artificial-muscle fibres

 

Hickey chia sẻ: “Đây là một lĩnh vực lớn và có rất nhiều nghiên cứu thú vị, nhưng những nghiên cứu trước cho tới nay chỉ tập trung vào việc tối ưu hóa các đặc tính của các vật liệu kỹ thuật. Ngược lại, chúng tôi tập trung vào mối liên hệ giữa hóa học, cấu trúc và đặc tính của vật liệu và điều đó khiến công việc của chúng tôi trở nên thú vị hơn.”

 

Cụ thể hơn

 

 

Bắt đầu với vật liệu chính để chế tạo loại sợi này là block copolymer. Việc tạo ra nó chỉ cần cho polyme vào dung môi và sau đó thêm nước. Một đầu của polyme có tính ưa nước (hút nước), trong khi đầu còn lại kỵ nước (kháng nước). Các phần kỵ nước của polyme nhóm với nhau để ngăn chúng khỏi nước, do đó tạo nên cấu trúc của sợi.

 

Các sợi tương tự hiện nay cần một dòng điện để kích thích các phản ứng liên kết các bộ phận lại với nhau. Tuy nhiên, kiểu liên kết chéo hóa học này khó xảy ra hơn so với loại sợi mới của các nhà nghiên cứu chỉ cần một phản ứng cơ học hay có nghĩa là các bộ phận tự liên kết chéo cơ học với nhau. Một mặt khác là nó rất đơn giản để đảo ngược quá trình và trả các mảnh sợi về trạng thái ban đầu của chúng. Và khi các sợi này liên kết thành mạng lưới, chúng chính là vật liệu hydrogel có thể trương nở và giữ một lượng lớn nước trong khi vẫn có thể duy trì cấu trúc. (hình 1a)

 

Kumar cho biết: “Việc dễ dàng tạo ra những sợi này từ polyme và khả năng tái chế của chúng là rất quan trọng, và đó là một khía cạnh mà hầu hết các nghiên cứu về cơ nhân tạo phức tạp khác chưa đề cập đến,”.

 

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học phát hiện ra rằng các sợi mà họ tạo ra có thể kéo dài gấp nhiều lần chiều dài ban đầu của chúng khi ngậm nước và cứng lại và giữ được hình dạng dài khi được sấy khô ở trạng thái bị kéo dài. Các nhà khoa học cho biết việc thêm nước hoặc nhiệt cho phép vật liệu trở lại kích thước ban đầu, khiến chúng có triển vọng được sử dụng như một thiết bị truyền động.

 

Ví dụ: Chiếc ô làm bằng loại sợi này tự động mở ra khi được tưới nước.

 

Hickey nói: “Chúng tôi bắt đầu nhận ra những sợi này đang co lại và thể hiện một số đặc tính thực sự hấp dẫn. Khi bắt đầu mô tả đặc điểm cấu trúc, chúng tôi nhận ra rằng có một số điều thú vị về cơ bản đang diễn ra ở đây. Và bắt đầu nhận ra cấu trúc của những cơ bắp nhân tạo hay mô phỏng cơ bắp tự nhiên này theo nhiều cách ”.

 

Các nhà khoa học cho biết, sợi cơ nhân tạo này gồm các cấu trúc kích thước nano có trật tự sắp xếp cao (highly aligned nanoscale structures) với các miền tinh thể và vô định hình xen kẽ nhau, giống như mô hình có trật tự và cơ vân của động vật có vú.

 

Các đặc tính kéo dài đặc biệt của hydrogel là kết quả của sự kết hợp giữa các miền vô định hình cứng ở kích thước nano và các lỗ rỗng chứa đầy nước ở thang micromet. Khi các hydrogel bị kéo căng, chúng sẽ có xu hướng co lại giống như một sợi dây cao su. Nếu các sợi bị kéo dài được làm khô ở ngay trạng thái ấy, mạng lưới polyme sẽ kết tinh, khóa lại hình dạng kéo dài của các sợi.

 

Hickey cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng một trong những lý do cơ bản khiến chúng tôi có những đặc tính đặc biệt này là các sợi được tổ chức rất chính xác ở kích thước nanomet, tương tự như tơ cơ có thể co-duỗi (sarcomere) của cơ người. Điều gì đang xảy ra khi bạn có một cơn co thắt cơ đồng đều. Tất cả các miền vô định hình này đều được tổ chức chính xác dọc theo sợi, và điều đó có nghĩa là chúng co lại theo một hướng duy nhất, điều này dẫn đến khả năng quay trở lại trạng thái ban đầu. “

 

Tưới nước hoặc áp nhiệt lên các vật liệu bị kéo căng sẽ làm tan chảy các tinh thể và cho phép vật liệu trở lại dạng ban đầu. Các nhà khoa học cho biết, các sợi của họ đạt hiệu suất hơn 75% trong việc chuyển đổi năng lượng thành chuyển động và khi bị kéo dài gấp 5 lần chiều dài ban đầu của nó, vật liệu có thể hồi lại chiều dài ban đầu khoảng 80% và có thể thực hiện điều này trong nhiều chu kỳ mà không bị suy giảm hiệu suất.

 

Hickey cho biết: “Việc chúng ta có thể sử dụng hai tác nhân kích thích khác nhau, nhiệt và nước, để kích hoạt hoạt động sẽ mở rộng gấp đôi khả năng cho các vật liệu được làm bằng phương pháp này. Hầu hết các bộ truyền động chỉ được kích hoạt bởi một tác nhân kích thích duy nhất. Do đó, việc có thể sử dụng tới hai tác nhân kích thích mở ra tính linh hoạt của loại vật liệu này của chúng tôi . ”

 

Tương lai gần

 

Các dự án tiếp theo đã sớm được tiến hành và các nhà khoa học đã có kế hoạch tìm hiểu thêm về những thay đổi cấu trúc của polyme và cải thiện một số đặc tính truyền động, bao gồm cả mật độ năng lượng và tốc độ. Họ cũng có thể sử dụng kỹ thuật thiết kế tương tự này để tạo ra các bộ truyền động phản ứng với các tác nhân kích thích khác nhau, chẳng hạn như ánh sáng.

 

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp

 

Nguồn: https://www.psu.edu/news/research/story/promising-new-materials-mimic-muscle-structure-and-function/

https://cockrell.utexas.edu/news/archive/9509-nanostructured-fibers-can-impersonate-human-muscles

 

• Truy cập link sau để đọc toàn văn công bố nghiên cứu trên của nhóm tác giả tại đây: Nanostructured block copolymer muscles
• Cùng ngày 2/6/2022, cùng tạp chí Nature Nanotechnology, một công bố khác rất đáng chú ý của nhóm tác giả Shaoting Lin & Xuanhe Zhao (rất nổi tiếng trong lĩnh vực này) của trường ĐH MIT thảo luận về tác động của nghiên cứu: Nanostructured artificial-muscle fibres

 

Tìm hiểu thêm về thiết bị SAXS/WAXS của hãng Xenocs được sử dụng cho ứng dụng trên tại đây.

Đọc thêm các tin tức KHCN mới liên quan đến ứng dụng kỹ thuật SAXS/WAXS trong các nghiên cứu gần đây.

Hiểu sự chuyển đổi pha của hydrogel với SWAXS