Trong nghiên cứu xuất bản trên tạp chí Nature hôm 27/4, giáo sư kỹ thuật Elliot Hawkes tại Đại học California Santa Barbara (Mỹ) cùng các cộng sự trình bày một cách tương đối đơn giản để định lượng và so sánh các "vật nhảy" - bao gồm cả sinh vật sඣống và máy móc - trên mọi quy mô. Không chỉ vậy, họ còn chế tạo một thiết bị nಞhảy cao kỷ lục.
"Chúng tôi đã tạo ra thiết bị có thể nhảy cao hơn 30 m. Theo chúng tôi biết, con số này cao hơn nhiều so với các thiết bị nhảy được thiết kế trước đây và cao hơn cả những vật nhảy sinh học tốt nhất", nhóm nghiên cứu viết. Vật nhảy của họ cao chưa đến 30 cm và chỉ nặng khoảng 30 g. N𒊎ó có thể tự phóng lên không trung 33 m với vận tốc phóng là 28 m mỗi giây.
Quá trình phóng lên không trung của thiết bị nhảy. Ảnh: Elliot W. Hawkes
Các 🐷nhà nghiên cứu định nghĩa nhảy là "🎶chuyển động được tạo ra bởi các lực do vật nhảy tác dụng lên mặt đất, trong khi vẫn duy trì khối lượng không đổi". Điều này loại trừ các trường hợp như tên lửa và mũi tên bắn ra từ cung.
Nhảy buộc các kỹ sư và sinh vật tiến hóa phải đối mặt với một số hạn chế v♉ật lý cơ bản của việc sản sinh năng lượng. "Cơ bắp và động cơ không thể tạo ra năng lượng cao cần thiết để vật♏ nhảy tự đẩy cơ thể mình", kỹ sư cơ khí Sarah Bergbreiter cho biết.
Bà giải thích, sinh vật sống và máy móc đều vượt qua giới hạn này bằng cách sử dụng cơ bắp và động cơ để tích trữ năng lượng trong những cấu trúc giống như lò 😼xo, sau đó𒁃 giải phóng toàn bộ năng lượng cùng lúc theo phương pháp gọi là LaMSA.
Trước đây, các chuyên gia từng tìm hiểu làm thế nào một số vật nhảy giỏi nhất trong tự nhiên đẩy mình lên cao như vậy (ví dụ Cercopoidea, côn trùng nhỏ bé có thể nhảy cao gấp hơn 100 lần 🐻chiều dài cơ thể), nhưng những nghiên cứu đó vẫn còn hạn chế. Trong nghiên cứu mới, nhóm nhà khoa học chỉ ra một số vấn đề quan trọng, ví dụ, có những sự khác biệt lớn giữa động cơ tuyến tính trong sinh vật sống (cơ bắp) và động cơ mà các kỹ sư sử dụng.
"Sinh vật chỉ có thể ꦡnhảy với mức năng lượng tạo ra trong một cú bật 🍌của cơ bắp", Charles Xaio, nghiên cứu sinh thuộc phòng thí nghiệm của Hawkes, cho biết. Vì vậy, sinh vật bị giới hạn về mức năng lượng dùng để đẩy cơ thể lên khỏi mặt đất và chỉ có thể nhảy cao ở mức đó.
Tuy nhiên, máy móc có thể tăng năng ♕lượng bằng cách sử dụng động cơ quay để thực hiện nhiều cú bật, quജa đó tăng mức năng lượng mà chúng tích trữ được trong lò xo.
"Sự khác biệt giữa sản sinh năng lượng của sinh vật với máy móc đồng nghĩa chúng cần thiết kế rất khác nhau 🎶để tối đa hóa độ cao của bước nhảy. Sinh vật nên có lò xo nhỏ - chỉ đủ để lưu trữ mức năng lượng tương đối nhỏ mà một cú bật tạo ra - và khối lượng cơ bắp lớn. Ngược lại, máy mó🥂c cần lò xo càng lớn càng tốt và động cơ nhỏ", Xaio nói.
Dựa vào thông tin nắm được, nhóm nghiên cứu chế tạo thiết bị nhảy hoàn toàn khác vật nhảy sinh học: kích thước lò xo so với động cơ của nó ꧒lớn hơn gần 100 lần so với động vật. Bên cạnh đó, họ cũng chế tạo mẫu lò xo mới, tối đa hóa ༒khả năng lưu trữ năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng.
Vật nhảy mới với khả năng vượt qua các giới hạn của thiết kế sinh học đã mở ra tiềm năng hứa hẹn cho robot nhảy. Trong tương lai, chúng có thể đến những nơi mà hiện nay chỉ robot bay mới tiếp cận ♚được. Điều này cũng mang đến lợi ích ngoài Trái Đất: Robot nhảy có thể di chuyển trên Mặt Trăng hoặc các hành tinh một cách hiệu quả mà không vướng vật cản trên bề mặt, đồng thời đến những vị trí mà robot mặt đất không thể tiếp cận.
Trên Mặt Trăng, lực hấp dẫn chỉ bằng 1/6 trên Trái Đất và gần như không có lực cản không khí. Do đó, nhóm nhà khoa học ước tính thiết bị của họ có thể nhảy cao 125 m và nhảy xa 500 m. "Đó sẽ là một bước tiến khổng lồ cho các vật nhảy nh♑ân tạo", Hawkes nhận xét.
Thu Thảo (Theo Interesting Engineering)