Mô hình được sinh học gợi ý mở cánh cửa cho kiểm soát robot mềm

Các xúc tu bạch tuộc có năng lực điều phối tự do gần như vô hạn trong việc thực hiện các chuyển động phức tạp như với, nắm, cuộn, bò, bơi… Cách các sinh vật biển này có thể đạt được một phạm vi rộng các hành động phức tạp như thế nào vẫn còn là điều bí ẩn, đáng kinh ngạc và truyền cảm hứng cho con người. Một phần thách thức là do sự tổ chức các hoạt động phức tạp và cơ chế sinh học bên trong các sợi cơ.

Các xúc tu bạch tuộc có năng lực điều phối tự do gần như vô hạn trong việc thực hiện các chuyển động phức tạp như với, nắm, cuộn, bò, bơi… Cách các sinh vật biển này có thể đạt được một phạm vi rộng các hành động phức tạp như thế nào vẫn còn là điều bí ẩn, đáng kinh ngạc và truyền cảm hứng cho con người. Một phần thách thức là do sự tổ chức các hoạt động phức tạp và cơ chế sinh học bên trong các sợi cơ.
Vấn đề này mới được một dự án nghiên cứu liên ngành giải quyết, đặt dưới sự dẫn dắt của Prashant Mehta và Mattia Gazzola, các giáo sư khoa học và kỹ thuật cơ học của trường đại học Illinois Urbana-Champaign. Như được nêu trong bài báo ở tạp chí  Proceedings of the Royal Society A 1, hai nhà nghiên cứu và nhóm nghiên cứu của họ đã phát triển một mô hình chính xác về mặt sinh lý học của bạch tuộc và các sợi cơ của chúng. “Mô hình của chúng tôi là mô hình đầu tiên của dạng này, không chỉ đem lại những thông tin thấu suốt về vấn đề sinh học mà còn là một khung cho thiết kế và kiểm soát các robot mềm nữa”, Mehta nói.
Các năng lực đầy ấn tượng của xúc tu bạch tuộc từ lâu đã truyền cảm hứng cho việc thiết kế và kiểm soát của các robot mềm. Nhiều loại robot mềm đã có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong môi trường phi cấu trúc trong khi vận hành an toàn cạnh con người, với những phạm vi ứng dụng từ lĩnh vực nông nghiệp đến phẫu thuật.
Nghiên cứu sinh Heng-Sheng Chang, tác giả thứ nhất của nghiên cứu, giải thích là các hệ có cấu trúc mềm như các xúc tu bạch tuộc là một thách thức lớn trong mô hình hóa và kiểm soát. “Chúng được điều hướng bởi ba nhóm cơ bên trong chính – cơ dọc, cơ ngang và cơ xiên – trong hoạt động cắt, kéo dãn, uốn và xoắn”, anh nói. “Điều này cho phép các xúc tu được tạo thành từ các cơ mềm có được sự tự do đáng kể”.
Ý tưởng chính của nhóm nghiên cứu là biểu hiện của cơ xúc tu qua việc sử dụng chức năng năng lượng lưu trữ, một khái niệm mượn từ lý thuyết cơ học trong môi trường liên tục. Udit Halder, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và là tác giả chính của bài báo, giải thích “Xúc tu thuộc về miền năng lượng tối thiểu. Hành xử của cơ làm chuyển đổi chức năng lưu trữ năng lượng, do đó chuyển vị trí cân bằng của xúc tu và hướng dẫn chuyển động”.
Việc thể hiện cơ sử dụng năng lượng trữ đã giúp đơn giản hóa thực sự việc thiết kế kiểm soát cánh tay robot. Cụ thể, nghiên cứu phác họa một phương pháp kiểm soát việc chia sẻ năng lượng để tính toán các hành xử sợi cơ cần thiết để giải quyết các thao tác như chạm, nắm. Khi cách tiếp cận này được thực hiện trên bản mô phỏng số trong môi trường phần mềm Elastica, mô hình này cho thấy chuyển động giống như thật một cách kinh ngạc khi một xúc tu bạch tuộc được mô phỏng ba chiều. Tuy nhiên theo Halder, “công trình của chúng tôi đề xuất một bảo đảm toán học cho việc thực hiện chuyển động này, vốn thường thiếu các cách tiếp cận thay thế, bao gồm học máy”.
“Công trình của chúng tôi là một phần của hệ sinh thái lớn hơn của việc hợp tác sẽ đến tại trường đại học Illinois”, Mehta nói. “Phía trên là các nhà sinh học thực hiện các thí nghiệm trên bạch tuộc, phía dưới là các nhà nghiên cứu robot, những người đang sử dụng những ý tưởng toán học và áp dụng nó để tạo ra những robot mềm thực sự”.
Các nhóm nghiên cứu của Mehta và Gazzola hợp tác với Rhanor Gillette, giáo sư hồi hưu của Illinois về sinh lý học phân tử và tích hợp, để kết hợp quan sát sinh lý học bạch tuộc vào mô hình toán học của họ trong nghiên cứu này. Công trình tiếp theo sẽ là thảo luận về những gợi ý sinh học của việc kiểm soát dựa trên năng lượng. Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu sẽ hợp tác với Girish Krishnan, một giáo sư khác của Illinois về các hệ thống công nghiệp và doanh nghiệp, để tích hợp các ý tưởng toán học của họ vào thiết kế và kiểm soát các robot mềm thực. Điều này không chỉ cho phép đem lại một cách có hệ thống trong kiểm soát các robot mềm mà còn đem đến hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế làm hoạt động của chúng.
Công trình này là một phần của dự án CyberOctopus 2, một sáng kiến nghiên cứu đa ngành ở Phòng thí nghiệm Khoa học Phối hợp của trường đại học Illinois với sự hỗ trợ của Văn phòng nghiên cứu Hải quân Mỹ.
Thanh Hương tổng hợp
Nguồn: https://techxplore.com/news/2023-02-octopus-biology-inspired-door-soft-robot.html
https://www.archyde.com/biology-inspired-model-opens-door-to-soft-robot-control/
—————————————-
1. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.2022.0593
2. https://cyberoctopus.csl.illinois.edu/

Tác giả

(Visited 11 times, 1 visits today)