Cơ cấu truyền động bằng sợi mềm vận hành bằng điện, được tạo ra bằng phương pháp kéo nhiệt.

Được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Tohoku phối hợp với các cộng tác viên quốc tế tại Pháp, những “sợi mềm” siêu mịn này có thể uốn cong, co lại và tạo ra các chuyển động ba chiều phức tạp khi dòng điện chạy qua, nhờ đó hoạt động như một bộ truyền động linh hoạt ở quy mô cực nhỏ.

“Bằng cách kết hợp kỹ thuật sản xuất sợi với các vật liệu điện hoạt mềm, chúng tôi đã có thể tạo ra một trong những bộ truyền động điều khiển bằng điện mỏng và mềm nhất từng được chế tạo dưới dạng sợi”, nhà nghiên cứu Yuanyuan Guo cho biết.

“Bởi vì bộ truyền động hoạt động giống như một sợi chỉ, nó có thể dễ dàng được tích hợp vào vải dệt hoặc các cấu trúc linh hoạt”, bà nói.

Bộ truyền động mềm là những vật liệu có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động. Chúng đóng vai trò quan trọng trong các công nghệ thế hệ mới như robot mềm, thiết bị y tế và các hệ thống hỗ trợ đeo trên người.

Tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, nhiều bộ truyền động truyền thống vẫn dựa vào các vật liệu kim loại như hợp kim nhớ hình. Những vật liệu này thường khá cứng, có ít bậc tự do chuyển động và cần các phương pháp kích hoạt phức tạp như gia nhiệt hoặc sử dụng từ trường.

Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã cải tiến một kỹ thuật sản xuất vốn được dùng để chế tạo sợi quang gọi là kỹ thuật kéo nhiệt nhằm tạo ra các sợi truyền động mềm có khả năng chuyển động khi được cấp điện.

Trong nghiên cứu mới, nhóm đã tối ưu quy trình kéo nhiệt để tạo ra các sợi truyền động có độ dày gần bằng sợi tóc nhưng vẫn duy trì được độ mềm và tính linh hoạt cơ học.

Cốt lõi của thiết bị là polyurethane nhiệt dẻo, một loại polymer có độ đàn hồi cao có thể hoạt động như chất đàn hồi điện môi, nghĩa là vật liệu sẽ biến dạng khi chịu tác động của điện trường.

Nhờ xác định được các điều kiện xử lý phù hợp với kỹ thuật kéo nhiệt, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công các sợi có khả năng phản ứng với điện áp bằng cách uốn cong, co lại hoặc tạo ra các chuyển động dạng gợn sóng trong không gian ba chiều.

Cấu trúc linh hoạt, dễ tích hợp và khắc phục hạn chế của sợi truyền thống

Một ưu điểm nổi bật của thiết kế mới là hình dạng giống sợi chỉ. Không giống các bộ truyền động dạng tấm hoặc thiết bị cồng kềnh, sợi truyền động này có thể được quấn thành lò xo, đan vào vải hoặc dệt thành các cấu trúc ba chiều phức tạp.

Nhờ đó, thiết bị có thể tạo ra những kiểu chuyển động khó đạt được với các thiết kế phẳng truyền thống, đồng thời vẫn giữ được độ mềm như cao su, phù hợp cho các ứng dụng tiếp xúc trực tiếp với cơ thể người.

Theo báo cáo đăng trên tạp chí ACS Omega, nhiều sợi truyền động hiện nay vẫn gặp các vấn đề như độ cứng cao, bậc tự do chuyển động hạn chế hoặc yêu cầu hệ thống kích hoạt phức tạp, do sử dụng vật liệu cứng như hợp kim nhớ hình hoặc cơ chế điều khiển từ trường.

Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã phát triển các sợi truyền động hoàn toàn bằng polymer dựa trên chất đàn hồi điện môi nhằm tăng khả năng thích ứng cơ học và mở rộng phạm vi chuyển động.

Các thử nghiệm cho thấy sợi truyền động mới có độ mềm nội tại với mô-đun Young khoảng 37 MPa, cho phép tạo ra nhiều chế độ chuyển động như uốn cong, nén hoặc xoắn ba chiều dưới tác động của điện trường.

Trong thử nghiệm, sợi đạt biến dạng nén khoảng 1,59% ở tần số điều khiển 1 Hz và điện trường 2,4 MV/m, tương đương với các kết quả từng được ghi nhận trong các nghiên cứu trước đó.

Theo các nhà khoa học, công nghệ sợi truyền động mềm này có thể trở thành nền tảng cho thế hệ robot mềm, quần áo thông minh và thiết bị hỗ trợ đeo trên người trong tương lai khi các hệ thống cơ học cần phải vừa linh hoạt mà lại an toàn khi tiếp xúc với cơ thể con người.