Những thiết kế kì diệu của thiên nhiên (f2)

Kính hiển vi điện tử cho thấy tại sao cá mập lại nhanh như vậy: Da của nó không trơn láng mà toàn là gai nhọn. Nước chảy qua những khe hở không gây nên xoáy, giảm được ma sát. Áo bơi bó sát toàn thân của những nhà vận động viên bơi lội bắt chước điểm đặc biệt này của da cá mập. Ảnh: Robert Clark.

Trong vòng 50 phần nghìn giây, con ruồi có thể rẽ vuông góc với đường bay - thao tác mà sẽ xé nát mỗi chiếc máy bay phản lực đắt tiền ra thành nhiều mảnh...
 

Những ứng dụng lấy ý tưởng từ thằn lằn gai không chỉ hạn chế ở kỹ thuật thu thập nước. Rubner và Cohen cũng đang phát triển một loại sơn chống graffiti và một bề mặt tự làm sạch cho nhà bếp và bệnh viện. 

Ronald Fearing, giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Berkeley ở California, đang đương đầu với một thách thức đặc biệt. Ông muốn thiết kế một con robot ruồi - nhỏ, nhanh và linh hoạt để có thể sử dụng trong giám sát hay tìm người mất tích.

Con robot ruồi

Khi chúng tôi ngồi trong căn phòng làm việc của Ronald Fearing, cửa sổ đang mở rộng. Nếu như trong khoảng khắc đó có một con ruồi bay vào tôi sẽ đuổi nó đi mà không hề nghĩ gì trong đầu. Thế nhưng sau khi Fearing giải thích tại sao ông lại lấy chính con côn trùng nhỏ bé này để làm mẫu cho chiếc máy bay tí hon của ông, tôi nhìn ruồi bằng cặp mắt khác. Với 150 lần đập cánh trong một giây, nó nhanh như chớp, linh hoạt, có thể lửng lơ tại chỗ hay bay vòng nhào lộn. Trong vòng 50 phần nghìn giây nó có thể rẽ vuông góc với đường bay: Một thao tác mà sẽ xé nát mỗi một chiếc máy bay phản lực đắt tiền ra thành nhiều mảnh.

Nhưng có một điều các nhà thiết kế dứt khoát không được làm, đó là sao chép y nguyên con ruồi. Thay vào đó họ phải tìm hiểu những cấu trúc giúp nó có được khả năng như vậy, rồi tính xem liệu những thao tác rất phức tạp đó có thể được thực hiện bằng những công cụ đơn giản hơn hay không.

"Thí dụ như cánh của con ruồi có hơn 20 bắp thịt, nhưng có một vài cơ mà cứ 5 lần đập cánh thì mới hoạt động một lần. Tại sao?", ông Fearing hỏi. "Và tôi thật sự có cần đến những cái phức tạp đến thế không?"

Trước Fearing, nhà sinh học thần kinh Michael Dickinson từng phóng lớn cấu trúc ruồi để có thể quan sát được những cử động của nó: Ông cho một cánh làm bằng nhựa dài 30 cm cử động trong một bồn chứa 2 tấn dầu máy động cơ. Qua đó ông phát hiện ra rằng cánh ruồi không đơn giản chỉ đập lên xuống mà theo một đường giống như chữ U và quay theo một kiểu nhất định.

Fearing đã đơn giản hóa tối đa các khớp phức tạp của cánh ruồi trong thiên nhiên, cho ra một kiểu mẫu tương tự. Cánh do ông thiết kế không có đến 20 cơ bắp nhưng cũng đập theo dạng hình chữ U. Nhưng khi ông yêu cầu vài chuyên gia cơ khí chế tạo cho mình một động cơ như vậy, và chỉ được phép nặng nhất là 10 miligam thì họ đều từ chối: "Mức chót là 10 gam, họ nói. Thế nhưng nếu vậy thì chỉ động cơ thôi đã lớn hơn cả con ruồi."

Vì thế Fearing đã tự chế tạo động cơ của mình: Một cái ống nhỏ dài khoảng 11 milimét, không dầy hơn râu ở miệng con mèo là bao. Ngoài ra, bằng một máy laser tí hon, ông tạo cánh bằng cách cắt nhiều mảnh polyester chỉ mỏng hai phần nghìn milimét. Vật liệu này đã gợn sóng ngay khi người ta chỉ thở vào nó và phải được gia cố bằng nhiều thanh sợi cácbon. Cuối cùng Fearing đã thành công.

Cánh của mô hình mới nhất đập 275 lần trong một giây - nhanh hơn cánh của con côn trùng thật - và cũng tạo ra tiếng vo vo rất đặc trưng. "Sợi cácbon hiển nhiên là có khả năng hơn nhiều so với chất chitin tự nhiên của côn trùng", ông khẳng định.

Những chuyến bay thử đầu tiên được điều khiển từ xa đã thành công. Fearing dự đoán trong vòng 2-3 năm nữa con robot bay sẽ có thể lửng lơ tại chỗ được. Và đến lúc nào đó nó cũng sẽ bay được những đường cong một cách thanh lịch như con ruồi thật.

Stickybot: Bắt chước con tắc kè

Ngay từ 350 năm trước Công Nguyên Aristoteles đã ngạc nhiên làm sao mà một con tắc kè "có thể chạy lên xuống trên cây, thậm chí đầu quay xuống đất". Chúng đã làm gì để "vô hiệu hóa trọng lực" như vậy?

Stickybot cũng có thể leo lên những tấm kính thẳng đứng nhưng cho đến nay không phải với tốc độ của con tắc kè mà là với tốc độ của con ốc sên. Ảnh: Robert Clark.

Hai năm trước, nhà phát triển robot Mark Cutkoskys của Đại học Stanford bắt đầu tìm cách giải câu đố xa xưa này: Lấy con tắc kè làm mẫu, ông đã thiết kế một cái máy leo đặt tên là "Stickybot".

Chân của con tắc kè không dính, sờ vào lại thấy khô và nhẵn. Khả năng bám đặc biệt của nó là nhờ vào 2 tỷ sợi lông nhỏ có đầu nhọn như cái bay của thợ hồ mà nó mang trên mỗi centimét vuông ở ngón chân. Mỗi sợi lông này chỉ dầy khoảng vài trăm nanomét - mỏng đến mức nó tiếp xúc với bề mặt bằng một cách đặc biệt: nhờ lực tương tác giữa những điện tích của các phân tử - Lực van der Waals.

Để chế tạo chân con tắc kè, Cutkosky đã sử dụng một loại vải từ urethane với lông rất nhỏ, có đầu nhọn 30 micromét. Mặc dầu chúng to hơn lông ở chân con tắc kè đến 300 lần nhưng lực bám của chúng đủ để giữ con robot nặng 500 gam trên một mặt phẳng thẳng đứng.

Nhưng nó không những phải bám dính mà còn phải có khả năng đi được nữa. Tắc kè lao đi trên một bức tường nhẵn thín với tốc độ đến một mét mỗi giây. Chúng cũng phải nhấc được chân một cách nhẹn nhàng và nhanh chóng. Để tìm hiểu điều đó, Cutkosky đã nhờ hai nhà sinh học giúp đỡ và họ đã khám phá ra một điều rất quan trọng: Các ngón chân tắc kè chỉ bám vào nền phía dưới khi bị kéo về phía sau hay xuống dưới; ngay khi hướng kéo đổi chiều chúng sẽ tách rời ra.

Theo đó, Cutkosky cũng trang bị cho con robot những ngón chân nhân tạo mà lông phía dưới chỉ bám dính khi chịu lực ở một chiều và tách rời ra ở chiều ngược lại. Sau đấy ông biết được tắc kè chia đều trọng lượng trên toàn bộ diện tích của các ngón chân bằng nhiều gân chân có phân nhánh. Vì thế ông cũng đưa vào trong chân của con robot "gân" phân nhánh làm bằng sợi hóa học để chia trọng lượng theo cách như vậy.

Thành công: "Stickybot" leo lên được những mặt phẳng trơn trượt như kính, nhựa hay gạch men mà không bị tuột hay ngã xuống, nhưng đến khi nó đạt tốc độ như tắc kè thật thì còn phải tốn nhiều thời gian. Khác với tắc kè, lớp bám dính khô trên "ngón chân" của con robot không tự làm sạch được. Bụi bám vào chúng nhanh chóng và vì thế mà chúng mất đi lực bám dính.

Tuy còn đi sau thiên nhiên khá xa, nhưng robot này đã có nhiều tiềm năng ứng dụng. Bộ quốc phòng Mỹ đang tính dùng nó vào việc thám thính: Một máy tự động có thể kín đáo leo lên một tòa nhà và quan sát vùng đất chung quanh bằng một máy camera. Cutkosky thì nghĩ đến nhiều ứng dụng trong lĩnh vực dân sự: "Sẽ rất tuyệt vời nếu như "Stickybot" một lúc nào đó trợ giúp cứu thoát sinh mạng con người bằng cách đi đến những nơi mà con người không thể đến được một cách đơn giản."

Bắt chước thiên nhiên - một chặng đường gian khổ

"Nếu như" và "có thể" - là những từ mà phần lớn các nhà phỏng sinh học thường dùng để chấm dứt bài thuyết trình về những phát minh được gợi ý từ sinh học. Những ứng dụng đạt được đến nay vẫn chỉ đếm trên đầu ngón tay.

Đó là khóa dán Velcro mô phỏng từ thực vật. Hay hiệu ứng của hoa sen, rửa sạch chất bẩn bằng những hạt nước lăn đi trên bề mặt. Ngày nay, nhiều loại sơn tường và gạch ngói được sản xuất theo nguyên tắc tương tự, nhưng cửa kính và bồn vệ sinh tự làm sạch thì vẫn còn phải chờ.

Nhiều doanh nghiệp mạnh đã phá sản khi cố gắng phát triển tơ nhện nhân tạo trước khi nhà nghiên cứu về vật liệu người Đức Thomas Scheibel tạo được bước đột phá mới đây. Tại sao việc áp dụng mẫu hình của thiên nhiên lại khó khăn đến như vậy?

Đó là vì thiên nhiên đơn giản không thể tưởng được và lại phức tạp vô cùng.

Sự tiến hóa "phác thảo" cánh của con ruồi hay chân của con tắc kè không theo một mục đích nhất định như tầm nhìn của một kỹ sư. Tiến hóa vấp ngã trong vô số thí nghiệm ngẫu nhiên qua hằng triệu thế hệ. Kết quả của vô số những đột biến và chọn lọc những biến thể thành công thường dẫn đến những sinh vật kỳ lạ chỉ có một mục đích: sống đủ lâu để sinh sản thế hệ kế tiếp và qua đó bắt đầu những thí nghiệm ngẫu nhiên kế tiếp.

Để cho "ngôi nhà" của con bào ngư có thể cứng như vậy với lượng vật liệu ít nhất có thể, 15 loại protein khác nhau đã phản ứng theo một thứ tự sinh hóa rất đặc biệt. Chính xác như thế nào thì cho đến nay nhiều đội ngũ khoa học hàng đầu vẫn chưa hoàn toàn hiểu hết. Tơ nhện bền không phải chỉ nhờ vào hỗn hợp của các thành phần cơ bản mà cũng nhờ vào cấu tạo của những tuyến kết tơ: 600 tuyến này dệt lẫn 7 loại tơ khác nhau lại với nhau.

Chính vì những phức tạp này mà người ta rất khó khăn mới hiểu được kiểu mẫu sinh học. Nhưng khoảng cách sẽ ngày càng ngắn lại. Nhờ vào phương pháp chụp cắt lớp siêu nhỏ, kính hiển vi điện tử..., các nhà phỏng sinh học ngày càng tiến sâu vào thế giới nano.

Phan Ba (theo Spiegel Online)