NCS. Trần Thị Thu Thủy trình bày kết quả nghiên cứu vỏ composite phỏng sinh học có lớp áp điện trước hội đồng chuyên môn, tháng 8/2026. Ảnh: Trường Cơ khí – Ô tô, HaUI.

Trong nhiều cấu trúc tự nhiên, các lớp vật liệu không nhất thiết nằm chồng lên nhau theo một hướng cố định. Hướng của từng lớp có thể thay đổi dần, tạo thành kiểu sắp xếp xoắn giúp cấu trúc phân bố tải và chống hư hỏng theo một cách khác với vật liệu xếp lớp thông thường. Từ nguyên lý đó, ThS. Trần Thị Thu Thủy và cộng sự tại Trường Cơ khí – Ô tô, Đại học Công nghiệp Hà Nội nghiên cứu một dạng vỏ composite phỏng sinh học, đồng thời tích hợp các lớp vật liệu áp điện để khảo sát khả năng điều chỉnh ứng xử và rung động của kết cấu.

Tháng 8/2026, NCS. Trần Thị Thu Thủy bảo vệ luận án tiến sĩ cấp đơn vị chuyên môn với đề tài “Phân tích tĩnh và động vỏ composite cấu trúc phỏng sinh học có lớp áp điện trên nền đàn nhớt”. Trước đó, đề tài cấp trường do bà làm chủ nhiệm về mô hình ứng xử của loại vỏ composite này đã được nghiệm thu cấp đơn vị vào tháng 3/2026. Hai mốc nối tiếp nhau cho thấy đây không phải một phép mô phỏng đơn lẻ, mà là hướng nghiên cứu được phát triển qua nhiều bài toán từ chịu tải tĩnh đến dao động của kết cấu.

ThS. Trần Thị Thu Thủy hiện là Phó Trưởng khoa Kỹ thuật Cơ sở, Trường Cơ khí – Ô tô. Trong nghiên cứu, phần lõi của vỏ composite được tạo bởi nhiều lớp có phương vật liệu thay đổi theo dạng xoắn. Nhóm không sao chép hình dạng hoàn chỉnh của một sinh vật cụ thể mà khai thác nguyên lý tổ chức lớp của các cấu trúc composite trong tự nhiên, sau đó chuyển nguyên lý ấy thành các tham số có thể đưa vào tính toán cơ học.

Thay cách xếp lớp để thay đổi cách kết cấu phản ứng

Composite thường được tạo thành từ nhiều lớp vật liệu ghép lại. Khi phương của các lớp thay đổi, khả năng chịu tải, biến dạng và dao động của toàn kết cấu cũng thay đổi theo. Với cấu trúc phỏng sinh học mà nhóm nghiên cứu khảo sát, góc xoay giữa các lớp trở thành một biến số thiết kế. Thay đổi cách bố trí này cho phép mô hình tính toán xem kết cấu sẽ võng ra sao dưới tải và dao động như thế nào khi chịu tác động theo thời gian.

Nhóm còn bổ sung lớp vật liệu áp điện ở bề mặt. Đây là loại vật liệu có liên hệ giữa trạng thái cơ học và điện: khi chịu biến dạng có thể xuất hiện tín hiệu điện và ngược lại, điện trường có thể gây ra biến dạng. Đặc tính đó khiến vật liệu áp điện được nghiên cứu trong các hệ cảm biến và điều khiển kết cấu. Trong mô hình của ThS. Trần Thị Thu Thủy, lớp áp điện được đưa vào để khảo sát khả năng tác động tới ứng xử của vỏ composite, thay vì chỉ xem kết cấu như một vật thể thụ động chịu rung.

Điểm khó nằm ở việc các thành phần không hoạt động tách rời. Khi vỏ biến dạng, phần composite, lớp áp điện và môi trường đỡ bên dưới cùng ảnh hưởng đến phản ứng chung. Nhóm vì thế xây dựng hệ phương trình mô tả đồng thời tương tác cơ – điện và nền, trong đó kết cấu được đặt trên môi trường có cả tính đàn hồi và khả năng cản dao động. Cách mô hình hóa này cho phép thay đổi từng tham số để quan sát độ võng, ứng suất, tần số dao động hay phản ứng khi kết cấu chịu lực kích thích.

ThS. Trần Thị Thu Thủy trình bày mô hình vỏ composite phỏng sinh học tích hợp lớp áp điện tại buổi nghiệm thu đề tài tháng 3/2026. Ảnh: Trường Cơ khí – Ô tô, HaUI.

Để giải hệ bài toán đó, nhóm sử dụng phương pháp phân tích đẳng hình học, thường được viết tắt là IGA, rồi xây dựng chương trình tính bằng Matlab. Thay vì phải chế tạo một mẫu mới mỗi khi thay đổi số lớp, góc xoắn, đặc tính vật liệu hay điều kiện đỡ, các phương án có thể được thử trước trên mô hình số. Kết quả tính toán vì thế đóng vai trò như một bước sàng lọc thiết kế, giúp xác định tham số nào tác động đáng kể đến ứng xử của kết cấu trước khi tiến tới thử nghiệm vật lý.

Một phần kết quả được công bố trong số tháng 1/2026 của Hanoi University of Industry Journal of Science and Technology. Trong bài báo về uốn tĩnh của vỏ composite phỏng sinh học tích hợp lớp áp điện, Trần Thị Thu Thủy đứng đầu danh sách tác giả. Công trình sử dụng phương pháp IGA để phân tích kết cấu có lớp composite xếp xoắn, lớp áp điện bề mặt, nền đỡ và cả sai lệch hình học ban đầu – yếu tố giúp mô hình bớt phụ thuộc vào giả định rằng chi tiết chế tạo luôn có hình dạng hoàn hảo.

Luận án sau đó mở rộng bài toán sang cả ứng xử động. Nhóm thiết lập phương trình chuyển động và khảo sát ảnh hưởng của điều kiện biên, đặc trưng vật liệu, kích thước hình học và nền đỡ tới dao động tự do cũng như dao động cưỡng bức. Việc đưa lớp áp điện vào mô hình tạo thêm một biến số để nghiên cứu điều khiển phản ứng của kết cấu, trong khi cấu trúc xếp lớp phỏng sinh học quyết định cách phần composite cơ học tiếp nhận và phân bố tải.

Mới dừng ở mô hình, chưa phải một “vỏ thông minh” hoàn chỉnh

Phần hấp dẫn của nghiên cứu cũng là nơi dễ bị đẩy quá xa nếu chỉ nhìn vào các thuật ngữ “phỏng sinh học” hay “áp điện”. Các tài liệu công khai hiện cho thấy nhóm đã xây dựng mô hình lý thuyết, chương trình tính toán và thực hiện các khảo sát số. Chưa có bằng chứng công khai cho thấy một vỏ composite hoàn chỉnh theo cấu hình này đã được chế tạo, gắn hệ điều khiển rồi thử rung để so sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng.

Vì vậy, chưa thể gọi đây là một loại vật liệu đã “tự giảm rung” trong thực tế. Mô hình cho phép phân tích ảnh hưởng của vật liệu áp điện và các tham số điều khiển tới phản ứng của kết cấu; bước tiếp theo nếu muốn đi tới ứng dụng sẽ cần chế tạo mẫu, lựa chọn loại vật liệu và lớp dán áp điện cụ thể, thiết kế điện cực, hệ cảm biến – điều khiển, sau đó kiểm chứng bằng thử nghiệm tải và rung.

Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp đơn vị chuyên môn của NCS. Trần Thị Thu Thủy. Nghiên cứu hiện tập trung ở mô hình lý thuyết và tính toán số. Ảnh: Trường Cơ khí – Ô tô, HaUI.

Giới hạn này càng quan trọng khi nói tới các lĩnh vực có yêu cầu an toàn cao như hàng không, ô tô hay các kết cấu kỹ thuật tiên tiến. Một kết quả mô phỏng có thể giúp kỹ sư chọn phương án đáng thử, nhưng chưa đủ để chứng minh độ bền, tuổi thọ hay khả năng làm việc của sản phẩm ngoài thực tế. Sai số chế tạo, liên kết giữa các lớp, nhiệt độ, độ ẩm, tải lặp và nhiều điều kiện khác đều có thể làm kết quả thực nghiệm khác với mô hình.

Giá trị hiện tại của nghiên cứu nằm ở chỗ đưa nhiều yếu tố phức tạp vào cùng một bài toán tính toán: cấu trúc composite xếp xoắn phỏng sinh học, lớp vật liệu áp điện, sai lệch hình học và nền có tính đàn – nhớt. Khi có thể khảo sát các yếu tố này trên máy tính, nhà nghiên cứu có cơ sở thu hẹp số phương án phải chế tạo và thử nghiệm thực tế.

Mốc bảo vệ luận án cấp đơn vị chuyên môn tháng 8/2026 cho thấy hướng nghiên cứu của ThS. Trần Thị Thu Thủy đã đi thêm một bước về mặt lý thuyết và phương pháp tính. Còn để biết cấu trúc lấy cảm hứng từ tự nhiên có thực sự giúp một chi tiết composite giảm rung hiệu quả đến mức nào, phép thử quan trọng tiếp theo sẽ nằm ngoài màn hình máy tính: một mẫu vật thật, một hệ đo rung và kết quả thực nghiệm đủ để đối chiếu với những dự báo của mô hình.