Thiết kế robot lấy ý tưởng từ đậu nhảy Mexico

Hầu hết các loài động vật đều chuyển động nhờ vào các bộ phận phụ của chúng như chân, cánh hay vây. Tuy nhiên cũng có một số loài sinh vật đặc biệt dùng cách lăn làm phương thức di chuyển. Nhóm này bao gồm các loài như kỳ nhông, nhện, sâu bướm và đậu nhảy Mexico. Trong nghiên cứu mới đây các nhà nghiên cứu đã tình cờ khám phá ra chuyển động của các đậu nhảy Mexico, trong mỗi  hạt đậu này đều có chứa ấu trùng sâu bướm và nhận thấy sự chuyển động của chúng không hoàn toàn ngẫu nhiên. Họ cũng tiến hành phát triển một thuật toán về hành vi của các hạt đậu, sử dụng lập trình robot lăn để di chuyển các hạt đậu này theo các hướng có kiểm soát.

 Nhóm kỹ sư cơ khí  bao gồm Daniel West, Ishan Lal, Michael Leamy, và David Hu thuộc Viện Công nghệ ở Atlanta Georgia đã công bố nghiên cứu về chuyển động lăn của đậu nhảy Mexico trên tạp chí Bioinspiration & Biomimetics.

Xuất sứ từ vùng núi Tây Bắc của Mexico đậu nhảy Mexico (Laspeyresia saltitans) bắt đầu vòng đời của chúng khi loài sâu bướm đẻ trứng trong những bông hoa dương sỉ vào đầu hè. Khi nổ rộ, những bông hoa này giống như chiếc vỏ bánh chứa hạt giống bên trong, sau đó chúng sẽ tách ra và mỗi phần có hình dạng tương tự như các lát bánh. Những đợt mưa giữa mùa hè sẽ khiến cho từng phần đó nở tơ hơn với kích thước khoảng 1-cm, hay “hạt đậu” sẽ được rơi từ trên cây dương xỉ xuống mặt đất. Để tránh ánh nắng mặt trời những con ấu trùng này phải nhanh chóng tìm chỗ bóng râm nơi mà có nhiệt độ thấp hơn, cư trú ở đó từ 6 đến 8 tháng và lăn xung quanh để tìm bóng râm. Hành động cuối cùng trong vai trò một ấu trùng là đục một cửa từ vỏ hạt giống và phát triển thành một con nhộng. Sau khi con nhộng đủ thời gian để thành một con sâu bướm trưởng thành chúng sẽ chui ra thế giới bên ngoài qua cánh cử đó.

 Từ xưa tới nay chúng ta đều biết trẻ con vẫn hay chơi những hạt đậu nhảy Mexico và lợi dụng sự chuyển động ngẫu nhiên của chúng cho các trò chơi may rủi. Năm 1955, các nhà khoa học thuộc dòng họ K.Herter đã phát hiện ra cách mà những con ấu trùng đang nằm trong kén vỏ trong suốt mà lại có thể điểu khiển được chuyển động của vỏ hạt giống,. Họ cũng quan sát thấy chúng sử dụng những sợi tơ để giữ chính chúng trong chiếc kén sau đó chuyển động trên bề mặt trong của những chiếc kén này, chính điều này khiến cho các hạt đậu di chuyển lăn qua lăn lại hoặc chúng sử dụng chân giả của mình đột ngột đập vào vỏ kén (gây ra chuyển động nhảy). Trong những năm 1980 các nhà khoa học cũng khám phá ra mối quan hệ giữa nhiệt độ bên ngoài với tần suất cũng như chu kỳ chuyển động của hạt đậu, chúng sẽ nhảy khoảng 40 lần/phút ở nhiệt độ 450C (1130F).

Để tăng sự hiểu biết về sự vận động của các hạt đậu nhảy Mexico, các nhà nghiên cứu sử dụng một chiếc chảo làm bằng kim loại được thiết kế 12 đường đua. Họ đặt chăn điện bên dưới ở một đầu của chiếc chảo đó để tạo ra gradients nhiệt độ giữa điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi đường đua. Họ cũng sử dụng hạt đậu từ nhà lai tạo giống chuyên nghiệp của MyPetBeans.com để tiến hành một số cuộc đua giữa các hạt đậu sau đó họ tách riêng để các ấu trùng đua với nhau.

(a) Mặt cắt ngang và vát của đậu nhảy Mexico và (a’) mặt cắt dọc. (a’’) “vỏ bánh” chứa ấu trùng sâu bướm bên trong. (b) Hình ảnh ấu trùng sâu bướm bên trong hạt đậu.

Quan sát hành động lăn, nhảy và nhào lộn các nhà nghiên cứu đã tính toán được tần số của từng chuyển động. Trong 550 chuyển động chúng nhảy 85% tổng số thời gian, lăn 14% và chỉ nhào lộn 1%. Họ cũng nhận thấy hành động “nhảy và lăn” gần giống như “chạy và nhào lộn” của vi khuẩn và các sinh vật khác. Những nghiên cứu trước đây cũng cho thấy chuyển động theo quĩ đạo cong là tối ưu.

Thêm một vấn đề nữa mà các nhà nghiên cứu này đã khám phá ra là không phải tất cả đậu nhảy Mexico đều giống nhau. Mỗi hạt đậu đều có nhiệt độ lý tưởng riêng và sự khác nhau là lý do tại sao sẽ có những hạt đậu chuyển động nhanh hơn những hạt khác. Họ cũng kết luận mặc dù các hạt đậu nhảy được sử dụng trong các trò chơi may rủi nhưng sự chuyển động riêng của từng hạt mới mang tính quyết định.

Dựa trên dữ liệu thực nghiệm các nhà nghiên cứu đưa ra một thuật toán về hành vi của các hạt đậu và thử nghiệm độ chính xác của nó với một robot có gắn bánh xe. Trong cả hai thử nghiệm đã tiến hành chuyển động của robot hoàn toàn tương tự như các hạt đậu. Họ giải thích chương trình này dựa trên một vài qui tắc rất đơn giản: nhào lộn một cách ngẫu nhiên sang trái hoặc sang phải, chạy theo hướng có nhiệt độ thấp nhất và dừng chuyển động sau khi đạt tới nhiệt độ lý tưởng.

Hiểu một cách tỉ mỉ về sự vận động của đậu nhảy Mexico có thể rất hữu ích cho việc thiết kế các vi-robot ít thông mình và sử dụng ít năng lượng trong tương lai. Ví dụ như các nhà nghiên cứu có thể mường tượng ra thiết kết các hạt đậu nhảy cơ khí sử dụng năng lượng mặt trời, hay có thể tạo ra các cảm biến rẻ tiền phát hiện ra gradients nhiệt độ. Bằng cách lập trình các hạt đậu cơ khí đáp ứng một số gradients khác như gradients hóa học hoặc ánh sáng các nhà nghiên cứu cũng sử dụng chúng để tạo ra một loạt các cảm biến và ứng dụng giám sát khác.

Hu trả lời phỏng vấn của Phys.org cho biết “ Đậu nhảy Mexico có rất nhiều khả năng thú vị có ích cho việc nghiên cứu sử dụng người máy. Chúng chuyển động với một vỏ bọc bằng thép mà vẫn có thể cảm nhận được môi trường xung quanh. Mặc dù với hình dạng giống như hình cầu nhưng chúng lại có một cái khe, chính cái khe này cho phép chúng di chuyển lên dốc hoặc qua những chướng ngại vật nhỏ. Sau cùng họ thực hiện một thuật toán đơn giản với cảm biến môi trường xung quanh, cảm biến mà giúp chúng có khả năng tìm thấy bóng râm và lẩn trốn trong đó. Tất cả những khả năng này có thể được tích hợp trong một robot nhỏ hơn nhiều so với hạt đậu nhảy.”

Trong tương lai các nhà nghiên cứu có kế hoạch khám phá chuyển động lăn của các loài động vật khác. Hu nói thêm “Chúng tôi đang quan tâm đến sự khác nhau giữa di chuyển bằng cách đi và lăn. Gần như không có lý do rõ ràng tại sao trong tự nhiên lại rất ít loài vật di chuyển bằng cách lăn. Trong khi đó khi di chuyển trên đường mấp mô thì lăn gần như là hiệu quả nhất. Và chúng tôi dự định nghiên cứu các động vật có cả hai khả năng di chuyển là đi và lăn.”

Nguồn:Phys.org

Việt Bắc @ MesLab,.. (Biên dịch)

Authors

Related posts

*

Top