Vật liệu thông minh: Cơ bắp nhân tạo

Trương Văn Tân (*)

Vọi yên lặng cởi áo, xắn quần. Hiền kinh ngạc.
   Nàng thấy hiện ra một nhà lực sĩ cường tráng,
mỹ lệ như một pho tượng cổ Hy Lạp.

("Trống Mái", Khái Hưng)

1. Vật liệu biết chuyển động

Sự tiến hóa của loài người song hành với sự khám phá, sử dụng các nguồn năng lượng và cách biến chuyển từ một dạng năng lượng nầy sang dạng năng lượng khác. Lợi dụng năng lượng của lửa đến năng lượng nguyên tử cho thấy một quá tŕnh dài của con người từ thời mông muội bán khai đến thế kỷ 21. Những bước tiến của khoa học cũng được đánh dấu bằng những dụng cụ hay thiết bị được thiết kế để biến đổi các dạng năng lượng với một hiệu suất không ngừng được nâng cao. Pin là một dụng cụ biến hóa năng thành điện năng, pin mặt trời biến năng lượng sóng điện từ thành điện năng, máy nổ hay động cơ hơi nước biến hóa năng trong nhiên liệu hay hơi nước thành cơ năng. Từ một đầu máy chạy bằng hơi nước ở thế kỷ thứ 18 đến xe hỏa đầu đạn Shinkansen của Nhật Bản phá kỷ lục với tốc độ 250 km/h vào năm 1964, là một thí dụ nói lên sự thành công của con người, lúc tiệm tiến lúc nhảy vọt, trong việc nâng cao hiệu suất hoán chuyển các dạng năng lượng.

Cơ thể con người và các sinh vật khác kể cả thực vật là những cỗ máy thiên nhiên biến hoán năng lượng cực kỳ hiệu quả. Trong cơ thể con người sự chuyển hóa sinh học (metabolism) biến thức ăn thành nguồn năng lượng để tiêu hao dưới dạng động năng (đi, chạy) và thế năng (nâng một vật lên cao). Các bộ phận của những cỗ máy nầy là phân tử sinh học được hoàn bị do quá tŕnh tiến hóa trải qua hàng triệu năm. V́ vậy,  Mẹ thiên nhiên lúc nào cũng là nguồn sáng tạo của loài người. Các nhà khoa học không ngừng mô phỏng phân tử sinh học để tổng hợp phân tử nhân tạo biết chuyển biến qua lại các loại năng lượng như hóa năng, điện năng, điện từ năng, nhiệt năng và áp năng.

Cơ bắp nhân tạo (artificial muscles) có tên khoa học là "actuator" được dịch ra tiếng Việt là "cơ cấu hay bộ dẫn động". Actuator được định nghĩa là một dụng cụ có thể co giăn và tạo ra lực và công khi có một kích động bên ngoài tác dụng. Kích động nầy có thể là quang, nhiệt hay điện. Phần lớn các actuator được kích thích bằng điện nên đây là một cơ cấu biến điện năng thành cơ năng qua một phản ứng hóa học giống như cơ bắp sinh học. Những áp dụng trực tiếp của actuator là để đáp ứng những nhu cầu chuyển động, chẳng hạn như tay chân giả, robot, hệ thống điện cơ vi mô (microelectromechanical system, MEMS), những trang cụ (device) mô phỏng sinh vật như chim, cá, côn trùng. Từ định nghĩa của actuator, ta thấy máy nổ hay động cơ mô tô điện cũng là một loại actuator. Tuy nhiên, những cơ cấu nầy quá cồng kềnh cho những áp dụng dẫn động vừa được nêu trên.

Một trong những vật liệu có giá trị thực tiễn trong các áp dụng dẫn động có lẽ là oxide của hợp kim ch́ (Pb), zirconium (Zr) va titanium (Ti) gọi tắt là gốm (ceramic) PZT. PZT là một vật liệu có tính áp điện (piezoelectricity). Tính áp điện là đặc tính phát sinh ra một điện áp (ḍng điện) của một số vật liệu khi có một tác động cơ học như kéo, đè, nén làm biến đổi kích thước vật đó. Ngược lại, khi có một điện áp (ḍng điện) đặt vào th́ vật liệu đó sẽ biến đổi kích thước và đây là áp dụng actuator của PZT. Độ thay đổi kích thước của PZT rất nhỏ (tối đa 0,1 %) nhưng cực kỳ chính xác tùy theo điện áp đặt vào. Các máy ảnh kỹ thuật số hiện đại có kỹ năng điều chỉnh tiêu điểm tự động (autofocus). Ở đây, PZT có một tác dụng rất lớn. PZT actuator được nối với ống kính. Trước khi chụp, máy ảnh sẽ phát ra siêu âm hay tia hồng ngoại đến vật thể được chụp. Siêu âm hay tia hồng ngoại sẽ phản hồi tạo ra một điện áp tương ứng với cự ly và điện áp nầy sẽ làm thay đổi kích thước của PZT làm di động tiêu điểm ống kính trùng lên vật thể.

Độ co giăn tùy theo điện áp của PZT là một lợi điểm cho dụng cụ cần độ chính xác cao, nhưng lại quá nhỏ (0,1 %) cho các tác dụng cơ bắp. Sự xuất hiện của actuator dùng vật liệu "thông minh" hữu cơ bao gồm polymer có hoạt tính điện hóa (electroactive polymer) và ống than nano (carbon nanotube) với năng suất dẫn động tương đương hay trội hơn cơ bắp sinh học, tạo ra một cơ hội để sản xuất actuator cho các dụng cụ điện học, quang học, y khoa và robot tự động hóa. Nhưng có thật là con người đă hoàn toàn mô phỏng được Mẹ thiên nhiên và cơ bắp nhân tạo đă có thể thay thế người anh em sinh học? Để biết câu trả lời, chúng ta hăy đọc những ḍng kế tiếp.

2. Cơ bắp sinh học

Cơ bắp sinh học của mọi sinh linh trên quả đất nầy là một trang cụ (device) thiên nhiên tuyệt vời có lịch sử tiến hóa hàng triệu năm. Trên quan điểm mỹ học, người hùng cơ bắp lúc nào cũng là một biểu hiện nam tính tràn đầy sinh lực được phái tóc dài bất luận già trẻ, sang hèn, muôn đời chiêm ngưỡng và yêu thích! Trong quyển tiểu thuyết "Trống Mái" của nhà văn Khái Hưng, cô "tiểu thơ" Hiền của đất Hà thành văn vật dường như chưa bao giờ có cơ hội thấy được những pho tượng cổ trần trụi Hy Lạp, nên nàng kinh ngạc bàng hoàng khi trực diện trước dáng h́nh lực lưỡng với những bắp thịt cuồn cuộn như những "quả lựu rám nắng" của Vọi, một chàng ngư dân đẹp trai nhưng chất phác của băi biển Sầm Sơn. Trên quan điểm khoa học, cơ bắp sinh học cũng là một vật liệu không kém phần hấp dẫn v́ nó có thể vận hành ở một mức tối ưu trong việc chuyển hoán hóa năng thành cơ năng và nhiệt nhưng vẫn tuân thủ theo những định luật của nhiệt động học.

Sự co giăn và tạo ra lực của cơ bắp thiên nhiên hoàn toàn được điều khiển bởi những xung điện (electric pulse) phát xuất từ năo qua hệ thống thần kinh. Xung điện là một tác nhân tạo ra những phản ứng hóa học trong môi trường nước chứa các loại ion của cơ bắp gây ra sự co giăn. Sự co giăn làm thay đổi thể tích cơ bắp từ đó sinh ra những tác động cơ học (H́nh 1). Các sách sinh học cơ bản đều mô tả một thí nghiệm cổ điển là kích thích sự co giăn của chân ếch bằng xung điện. Khi cho xung điện vào, chân co lại, tắt ḍng điện chân lại giăn ra. Khi rút hết nước từ chân, thí nghiệm cho thấy sự co giăn không xảy ra. Điều nầy chứng tỏ xung điện chỉ có hiệu quả trong môi trường nước nơi mà những luồng ion (ion flux) có thể luân lưu trao đổi để tạo ra lực và công (work). Cơ bắp sinh học tạo ra lực và công trên căn bản thay đổi thể tích là một hệ quả trực tiếp của phản ứng hóa học trao đổi ion nhờ điện trong một môi trường ở một nhiệt độ nhất định. Đây là loại actuator điện-hóa-cơ (electrochemomechanical actuator). 

H́nh 1: Kích thích từ năo qua hệ thống thần kinh gây nên sự di chuyển của nước và ion,
phản ứng hóa học và sự thay đổi thể tích của cơ bắp.

Bảng 1 cho biết những đặc tính của cơ bắp sinh học. Một so sánh thú vị là độ biến dạng (co giăn) của cơ bắp sinh học có thể lớn hơn 40 % trong khi PZT chỉ có 0,1 %. Theo Bảng 1, khi co giăn cơ bắp sẽ cho một lực 0,35 MPa, tương đương lực kéo một vật nặng 3,5 kg nếu cơ bắp có tiết diện 1 cm2. Khi có xung điện, cơ bắp co lại 50 % trong thời gian là 0,1 giây (Bảng 1). Những đặc tính nầy trở thành một tiêu chí mà tất cả mọi vật liệu được thiết kế để có đặc tính bằng hoặc vượt hơn cho các ứng dụng. Vật liệu có mật độ công và công suất cao sẽ rất có lợi trong những áp dụng đ̣i hỏi sự nhẹ cân và một không gian nhỏ hẹp như robot, dụng cụ y khoa cấy vào người, máy ảnh, điện thoại di động, hệ thống điện cơ vi mô (MEMS). 

Bảng 1: Những đặc tính của cơ bắp sinh học [1]

Đặc tính

Lượng tiêu biểu

Lượng tối đa

Độ biến dạng (strain) (%)a

20

>40

Ứng suất (stress) (MPa)b

0,1

0,35

Mật độ công (work density) (kJ/m3)c

8

-

Tỷ trọng (kg/m3)

1037

-

Tốc độ biến dạng (%/s)d

-

500

Mật độ công suất (power density) (W/kg)e

50

200

Năng suất (%)f

-

40

Số lần co giăng

-

109

Môđun (modulus) (MPa)h

10 - 60

-

a Độ co giăn. Cơ bắp có chiều dài nguyên thủy là lo, co hoặc và giăn đến độ dài l. Độ biến dạng (%) = [(l - lo) x 100]/lo.
b
Khi co, cơ bắp sẽ tạo ra lực F. Cơ bắp có tiết diện A. Ứng suất (Pa) = F/A. Đơn vị Pa (Pascal) = Newton/m2, MPa = MegaPascal =  106 Pa.
c
Công được tạo ra bởi 1 m3 cơ bắp.
d
Tốc độ co giăn của cơ bắp.
e
Công suất được tạo ra bởi 1 kg cơ bắp.
f
Tỷ suất giữa năng lượng cho ra và năng lượng nạp vào.
g
Cũng là tuổi thọ.
h
Môđun = Ứng suất/Độ biến dạng.  Độ cứng vật liệu.

Máy nổ dùng nhiên liệu biến hóa năng qua các phản ứng hóa học tạo ra sự co giăn thể tích trong ḷng piston để tạo ra lực và công. Tuy nhiên, mặc dù có một điểm chung là co giăn thể tích, máy nổ không thể xem là cơ bắp v́ cơ chế tạo ra lực và công của hai cơ cấu nầy hoàn toàn khác nhau. Cơ chế máy nổ tuân theo chu tŕnh Carnot. Để tạo ra cơ năng, máy nổ phải ở hai môi trường có hai nhiệt độ khác theo đúng định luật thứ hai của nhiệt động học. Trong máy xe hơi hay xe gắn máy, lúc nào cũng có thiết bị để làm nguội máy bằng nước hay không khí. Cơ bắp tạo ra công từ quá tŕnh trao đổi ion trong một dung dich ở một nhiệt độ nhất định. V́ vậy, nhiệt độ môi trường là sự khác nhau giữa máy nổ và cơ bắp.

3. Polymer dẫn điện

Polymer dẫn điện có hoạt tính điện hóa. Để tạo ra cơ bắp nhân tạo mô phỏng theo cơ bắp sinh học dựa trên một ḍng điện gây ra sự trao đổi ion, ta thấy ngay rằng điện hóa là một phương pháp hữu hiệu để đạt được mục tiêu nầy. Năm 1996, giáo sư Ray Baughman (University of Texas, Mỹ) đă quan sát được cơ chế dẫn động của phim polypyrrole (PPy) trong một b́nh điện giải. Một trong hai điện cực của b́nh là phim PPy [2]. Ông lợi dụng sự "hợp ly" xảy ra giữa mạch polymer dẫn điện và dopant, hay là quá tŕnh doping/dedoping, để gây ra sự biến đổi thể tích và h́nh dạng của polymer. Quá tŕnh doping/dedoping quen thuộc đă được đề cập trong bài viết trước [3],

......MMMMMMMMMMM..... (dạng 1) + A-

doping  E  dedoping

...MMM+A-MMMM+A-MMMM+A-MMM.... (dạng 2)

Khi doping, polymer (…MMMMM…) kết hợp với dopant (A-), polymer giăn ra tăng thể tích (dạng 2). Khi ḍng điện đổi chiều, dedoping xảy dopant rời khỏi mạch, polymer co lại giảm thể tích (dạng 1) (H́nh 2). Sự thay đổi thể tích của PPy gây ra bởi kích thích điện và chiều ḍng điện cho ra hiện tượng tương tự như cơ bắp sinh học. Cũng như cơ bắp sinh học, actuator của polymer dẫn điện cần phải tiếp xúc với dung dịch chứa ion thích hợp và nhờ ḍng điện để có những luồng ion di chuyển ra vào giữa vật liệu và dung dịch tạo ra sự thay đổi thể tích của vật liệu và từ đó sinh ra lực và công.

H́nh 2: Doping/dedoping gây ra sự thay đổi thể tích của polymer.
Kư hiệu (
) là ion trong dung dịch điện giải.

Polyaniline (PAn), polythiophene (PT) và các polymer dẫn xuất của PT đều cho sự co giăn tương tự như PPy. Sự "hợp ly" giữa polymer và dopant thật ra phức tạp hơn công thức và H́nh 2 mô tả. Dopant có thể rủ rê lôi kéo các phân tử dung môi đi ra đi vào môi trường polymer tạo ra sự co giăn rất lớn nhưng tốc độ co giản rất chậm. Sự khuyếch tán ra vào của dopant/phân tử dung môi giữa dung dịch điện giải và polymer cần nhiều thời gian. Ngoài ra, ảnh hưởng của điện tích, độ lớn của dopant và ion của chất điện giải lên sự co giăn và công là một đề tài nghiên cứu nhiều thử thách nhằm tối ưu hóa năng suất cơ học của loại actuator nầy.

Độ biến dạng tiêu biểu của polymer dẫn điện trong khoảng 2 - 10 %. Gần đây, nhóm nghiên cứu của giáo sư Keiichi Kaneto (Kyushu Institute of Technology, Nhật Bản) đă thiết kế PPy với một dopant đặc biệt có thể co giăn đến 40 %, đạt đến mức của cơ bắp sinh học. Tuy nhiên, để có mức co giăn nầy ta cần một thời gian gần 8 tiếng đồng hồ, rất chậm so với cơ bắp sinh học là 0,1 giây để đạt một độ co giăn tương đương! Sau đó, nhóm Kaneto tiếp tục cải thiện và đạt được độ co giăn 20 % với tốc độ 4 %/s (nghĩa là chỉ cần 5 giây để co lại 20 %). Kết quả nầy rất ấn tượng. Actuator dùng polymer dẫn điện là có mật độ công (work density) khá cao, 140 kJ/m3 (cơ bắp sinh học là 8 kJ/m3) và có điện áp thao tác rất thấp trong khoảng 2 V.

Để tránh sự cồng kềnh của một b́nh điện giải, tiến sĩ Dezhi Zhou và nghiên cứu sinh Yanzhe Wu (University of Wollongong, Úc) đă chế tạo ra một actuator "kép" được mô tả trong H́nh 3. Phim PPy được phủ lên một thể xốp chứa chất điện giải với một ion (dopant) thích hợp, tất cả chỉ có độ dày khoảng 100 mm. Thật ra, đây là một b́nh điện giải cực mỏng với hai điện cực là phim PPy.  Khi cho một ḍng điện chạy qua cơ cấu nầy, theo công thức doping/dedoping một phim sẽ ở dạng 1 (co lại), phim kia ở dạng 2 (giăn ra). Như vậy, toàn cơ cấu sẽ cong về một phía, giống như con tem bưu điện khi được thấm nước ở mặt keo, mặt nầy tăng thể tích làm cong con tem. Khi chiều ḍng điện đổi ngược th́ cơ cấu sẽ cong về phía kia (H́nh 3). Khi chiều ḍng điện thay đổi liên tục, ta sẽ có một actuator chuyển động như chú khuyển vẫy đuôi. Cơ cấu nầy có thể làm vi hay đuôi của một con cá nhân tạo bơi trong nước hay con gián biết ḅ.

H́nh 3:  (a) Cấu tạo actuator "kép" có độ dày khoảng 100 mm;
(b) Actuator bật qua lại khi ḍng điện đổi chiều.

Actuator dùng polymer dẫn điện có những nhược điểm do tính nhớt đàn hồi (viscoelasticity) cố hữu của vật liệu polymer. Tính chất này thường thấy ở các vật dụng plastic; chẳng hạn bao plastic bị kéo giăn đến một mức th́ sẽ biến dạng vĩnh viễn và mất tính đàn hồi. Một nhược điểm khác là sau một thời gian sử dụng chất điện giải và điện cực polymer bị suy thoái v́ những phản ứng điện hóa bất lợi xảy ra. 

Hiện nay, actuator dùng polymer dẫn điện vẫn c̣n là một trang cụ đang được nghiên cứu trong pḥng thí nghiệm. Ngoài việc chế tạo các loại robot như cá bơi trong nước hay con gián biết ḅ mang tính chất hàn lâm, ở thời điểm nầy (2007), chưa có một thương phẩm nào sử dụng polymer dẫn điện như một actuator. Nhóm của giáo sư Gordon Wallace và Geoff Spinks (University of Wollongong, Úc) có nhiều đề án nghiên cứu nhằm thực dụng hóa actuator polymer dẫn điện, chẳng hạn chế tạo các robot biết ḅ, biết bơi hay cấy vào ốc tai chữa bệnh khiếm thính (điếc) bẩm sinh. Những chương tŕnh nầy vẫn c̣n ở bước đầu. Dù sao, những nghiên cứu cơ bản nhằm tối ưu hóa năng suất dẫn động của các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới cho thấy sự liên hệ mật thiết giữa ba đặc tính: điện tính, cơ tính và hóa tính. Biến đổi một đặc tính sẽ ảnh hưởng đến hai đặc tính c̣n lại. Có một trường phái cho rằng không cần phải qua sự "hợp ly" với ion, mà nên nhắm vào những polymer mang nối liên hợp có khả năng co giăn ở thang phân tử như cây đàn xếp accordion khi được kích thích bởi ḍng điện. Như thế, thao tác dẫn động của polymer sẽ càng giống các sợi cơ bắp sinh học. Hy vọng nền công nghệ nano sẽ trợ giúp cho việc triển khai vật liệu nầy.

4. Con cá robot Nhật Bản

Người Nhật Bản có khái niệm về tự động hóa, yêu chuộng và thiết kế các loại robot rất sớm. Sau khi thua trận ở Thế chiến thứ 2, người Nhật thu nhặt kim loại phế thải để phát triển công nghệ đồ chơi trẻ con, sản xuất xe hỏa, xe hơi, máy bay đồ chơi với động cơ chạy bằng pin tràn ngập thị trường trong những thập niên 50, 60 của thế kỷ trước. Các loại đồ chơi tự động hóa lần đầu tiên xuất hiện mang đến nhiều niềm vui cho trẻ con toàn thế giới (trong đó có cả người viết!). Các trung tiểu xí nghiệp Nhật cũng vực dậy trên đống tro tàn của Thế chiến thứ 2 nhờ số doanh thu từ các phế liệu. Năm 2004, công ty Eamex tại Osaka (Nhật Bản) chế tạo ra con cá "đồ chơi" bơi trong bể nuôi như cá thật. Nhưng công ty Eamex không phải là công ty làm đồ chơi mà là một công ty sản xuất các linh kiện điện tử và actuator. Con cá robot được thiết kế để cho thấy khả năng dẫn động của polymer được dùng làm actuator cho cá bơi được. Đặc điểm của cá robot nầy là không động cơ, không bánh răng (gear), không trục truyền động (shaft), thậm chí cũng không có pin. Bộ phận chính của cá là actuator sử dụng polymer có hoạt tính điện hóa (electroactive polymer) đẩy cá đi một cách tự nhiên tự tại.  

Vật liệu của actuator nầy là polymer có mạch chính là polytetrafluoroethylene (-CF2-)n và những nhánh phụ mang gốc sulfonate (SO3H) hay gốc carboxylate (COOH). Loại mang gốc sulfonate có thương hiệu là Nafion và loại mang gốc carboxylate là Flemion. Đây là những gốc thân nước nên phim ngậm nước dễ dàng. Để dùng làm vật liệu actuator, phim Nafion hoặc Flemion được đặt vào dung dịch muối kim loại, phim hút nước và các cation (ion mang điện tích dương) kim loại (thí dụ: Na+) sẽ thay thế H+ cho SO3-Na+ hay COO-Na+. Cấu trúc nầy cho Na+ di động trong môi trường nước, nhưng gốc âm SO3- và COO- bất động v́ là một phần của mạng lưới polymer. Hai mặt phim được phủ lên một lớp vàng (Au) hoặc bạch kim (Pt) để làm điện cực (H́nh 4). V́ là vật liệu polymer chứa ion và được phủ kim loại để làm điện cực, vật liệu nầy được gọi là composite polymer ion và kim loại (ionic polymer metal composite, IPMC).

H́nh 4: Khi có điện áp, cation dồn về phía cực âm khiến phim cong về một phía.

Nguyên lư dẫn động của phim rất đơn giản. Khi phim được bắt vào một nguồn điện các cation (Na+) đổ dồn về cực âm làm tăng thể tích mặt nầy và giảm thể tích mặt kia. Phim sẽ bị cong giống như con tem bưu điện đề cập bên trên (H́nh 4). Khi đổi chiều ḍng điện (cực âm thành dương, dương thành âm), phim sẽ cong ngược lại. Các loại phim nầy là một thể xốp có nhiều lỗ vi mô (micropore) nên chứa nhiều nước và Na+ có thể di chuyển qua lại dễ dàng. Actuator được thiết kế để có thể chuyển động qua lại đến tần số 100 Hz (chuyển động qua lại 100 lần trong 1 giây). Actuator thao tác ở điện áp < 7 V và cho ứng suất 30 MPa (gần 100 lớn hơn cơ bắp sinh học). Nhược điểm của actuator nầy là nước dễ bay hơi nhưng điều nầy có thể khắc phục bằng cách thay thế nước bằng dung môi khó bay hơi và dùng phim mỏng bao quanh. So với actuator "kép" polymer dẫn điện, actuator dùng polymer Nafion hoặc Flemion có một cơ cấu đơn giản hơn với độ ứng đáp rất nhạy (100 Hz). Con cá robot là để phô trương thiên hạ, mục tiêu thương măi chính của Eamex là biến IPMC actuator thành sản phẩm thay thế PZT cho cơ cấu tự động điều chỉnh ống kính máy ảnh và máy ảnh điện thoại di động (xem www.eamex.co.jp).  

5. Ống than nano

Cơ tính tuyệt vời của ống than nano là ưu điểm vượt trội hơn các loại vật liệu khác. Ống than nano vỏ đơn (single-wall carbon nanotube, SWNT) có môđun (độ cứng) là 640 GPa (GigaPascal = 109 Pa) gần trị số của kim cương và độ bền (tensile strength) trong khoảng 20 đến 150 GPa. Có nghĩa là nếu ống than nano có tiết diện 1 cm2, ống có thể treo một vật nặng 200 đến 1500 tấn, tương đương với một chiếc xe tăng hạng nặng và máy bay jumbo! Nhưng đây chỉ là trị số của từng ống riêng lẻ ở thang phân tử. Khi các ống kết hợp thành vật liệu sợi hay phim, những trị số cơ tính nầy nhỏ hơn 10 đến 100 lần. Làm sao tạo những vật liệu sợi và phim của ống than nano những vẫn giữ cơ tính của ống là một thử thách mà các nhà vật liệu học đang bận tâm [4].

Giáo sư Ray Baughman (University of Texas, Mỹ) và cộng sự lần đầu tiên khám phá ra khả năng dẫn động của ống than nano [5]. Khi phim SWNT được đặt dưới một điện áp (2 V) và trong một dung dịch điện giải (H́nh 5), SWNT có tác dụng của một actuator, co giăn tùy theo điện áp. Ống nối với cực âm của nguồn điện sẽ tiếp nhận điện tích âm trên mặt ống, ống nối với cực dương nhận điện tích dương (H́nh 5). Điện tích giống nhau sẽ đẩy nhau làm ống ph́nh lên. Khi điện áp là zero, điện tích biết mất, ống "xẹp" trở lại kích thước ban đầu. 

H́nh 5: Khi có điện áp, bề mặt ống than nano nhận điện tích âm (hạt đỏ)
 từ cực âm, điện tích dương (hạt vàng) từ cực dương [5].

V́ SWNT có độ cứng rất cao, độ co giăn bị giới hạn ở mức độ 0.1 - 1 %, to hơn gốm PZT nhưng nhỏ so với những vật liệu actuator hữu cơ khác. Mặt khác cũng v́ độ cứng, vật liệu sợi SWNT cho mật độ công 1000 kJ/m3, một trị số rất cao trong các loại actuator. Cơ bắp sinh học chỉ đạt đến 8 kJ/m3, đúng là sức nguời có hạn nhưng sức vật có thể gần như vô hạn. Trên lư thuyết, với môđun 640 MPa ống than nano có thể tạo ra công có trị số 100.000 kJ/m3, một trị số to chưa từng thấy trong các loại vật liệu. V́ vậy, SWNT là một vật liệu actuator mang nhiều tiềm năng với một niềm hy vọng là trong một tương lai gần các nhà khoa học sẽ có một phương pháp chế biến sợi và phim với những cơ tính tuyệt vời như các ống than nano tạo thành. Khả năng tạo ra mật độ công rất cao và độ bền nhiệt tốt (không phân hủy ở 450 °C trong không khí, và 1000 °C trong chân không hay môi trường trơ) của SWNT sẽ mang đến nhiều áp dụng cho công nghệ không gian (aerospace), một lĩnh vực đ̣i hỏi vật liệu gọn nhẹ, bền và hiệu suất cao.

Ống than nano nhiều vỏ (multi-wall carbon nanotube, MWNT) không co giăn nhiều nên không có năng lực dẫn động tốt như SWNT. Tại sao? Đây là một vấn đề đang chờ đợi câu trả lời từ các nhà khoa học. 

6. Actuator cao su

Năm 1992, công ty SRI International (Mỹ) giành được một khế ước nghiên cứu từ "Chương tŕnh động cơ vi mô" (Micro-machine Program) của chính phủ Nhật Bản [6]. Chính phủ Nhật t́m kiếm một công nghệ mới cho actuator vi mô. Vật liệu phải là chất hữu cơ mềm thay thế cho vật liệu cứng PZT, biến hoán trực tiếp tự điện năng sang cơ năng, giá rẻ, dễ chế tạo, và đương nhiên là năng suất dẫn động phải cao mà không qua quá tŕnh điện hóa phức tạp. V́ số tiền nghiên cứu kếch sù nên SRI dấn thân! SRI trước hết dùng phim mỏng polyurethane, một loại vật liệu thường dùng làm nệm giường, ghế sofa. Hai mặt phim được phủ lên một lớp kim loại để làm điện cực và phim nầy được đặt vào một nguồn điện với một điện áp hơn 1000 V (H́nh 6). Dưới điện áp, mặt điện cực xuất hiện điện tích âm, mặt kia điện tích dương, sức hút tĩnh điện xảy ra; phim tự động bị ép lại và giăn ra như ta dùng hai tay kéo cái bao plastic. Khi tắt điện, phim trở lại kích thức cũ. Sau đó, SRI chế biến cao su silicon và acrylic với hiệu quả co giăn cao hơn polyurethane. Cơ chế dẫn động do sự hút tĩnh điện giữa điện tích âm và dương tương phản với cơ chế của ống than nano. Sự co giăn của ống nano là do sự đẩy tĩnh điện của những điện tích giống nhau. 

H́nh 6: Sự co giăn của cao su dưới điện áp (> 1000 V) [7].

Cơ cấu actuator thật ra là một tụ điện, nhưng là tụ điện có thể co giăn! Để điện cực có thể co giăn với phim, người ta dùng carbon dẫn điện trộn với nhựa đàn hồi [7]. Hiệu ứng làm biến dạng những vật liệu cách điện như polymer/cao su bằng một điện áp do lực tĩnh điện (ứng suất Maxwell) được biết từ lâu. Hiệu ứng nầy rất phiền toái v́ nó làm thay đổi h́nh dạng không cần thiết khi dùng polymer/cao su trong các cơ cấu điện học. Tuy nhiên, trong nhu cầu dùng vật liệu hữu cơ mềm cho actuator, các nhà khoa học của công ty SRI đă khéo léo biến nhược điểm thành ưu điểm. Độ biến dạng (co giăn) càng to khi điện áp và hằng số điện môi (dielectric constant) càng to. V́ tụ điện cũng có yêu cầu tương tự, vật liệu dùng cho actuator cũng có thể dùng cho tụ điện. Dùng titanum oxide (TiO2) làm chất phụ gia trong cao su là một kỹ thuật tăng hằng số điện môi. Ngoài ra, để có độ biến dạng tối đa, điện cực phải duy tŕ độ đẫn điện và cao su duy tŕ cường độ điện môi khi co giăn. Đây là những vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết ở thời điểm hiện tại.

Hiện nay, SRI đă chế tạo được cao su acrylic với hằng số điện môi to và chịu được điện áp cao. Sự phát triển vật liệu cho actuator cao su một năng suất dẫn động rất ấn tượng. Cao su acrylic có độ co giăn lớn hơn 200 % (cơ bắp sinh học: 50%), ứng suất dẫn động 7 MPa (cơ bắp sinh học: 0,35 MPa), mật độ công 3000 kJ/m3 (cơ bắp sinh học: 8 kJ/m3). Một loại cao su silicon có độ co giăn 63 %, ứng suất 3 MPa và thời gian đáp ứng 0,001 giây và năng suất 80 - 90 % (cơ bắp sinh học: 40 %). Nhược điểm lớn của actuator nầy là điện áp sử dụng phải ở mức vài ngàn volt, quá cao cho những dụng cụ tinh mật (precision device). Theo các nhà nghiên cứu của SRI, điện áp cao không nhất thiết phải là một cơ cấu nguy hiểm. Thật ra, ai bị điện giật bởi sờ vào bu-gi của xe hơi hay xe máy Honda cũng biết đó là kinh nghiệm không đến nỗi chết người nhưng cũng không lấy làm ǵ thoải mái! Dù với nhược điểm nầy, SRI cũng đă sản xuất actuator điều chỉnh dụng cụ quang học thay thế PZT và một số trang cụ khác (xem www.artificialmuscle.com).

Khi một cơ cấu chuyển hoán năng lượng A sang năng lượng B th́ cũng có thể chuyển B sang A. Vật liệu actuator chuyển điện năng sang cơ năng th́ cũng là vật liệu dùng cho trang cụ chuyển cơ sang điện. Các loại cao su silicon và acrylic được để dưới gót giày và cứ mỗi bước đi điện phát sinh và được tích tụ để dùng như nguồn điện cá nhân cho các dụng cụ điện tử cầm tay [6]. Khả năng chuyển hoán cơ sang điện không thoát khỏi những cặp mắt hiếu kỳ của các chuyên gia thuộc Bộ Quốc pḥng Mỹ. Công ty SRI lại nhận thêm một khế ước nghiên cứu béo bở, lần nầy từ chính phủ Mỹ để thực hiện cơ chế "dẫn động nghịch" chế tạo trang cụ biến cơ thành điện.

***

Actuator chẳng qua là một cơ cấu được tự động hóa, bắt chước thiên nhiên để "thế nhân hành đạo". Các loại vật liệu hữu cơ từ polymer đến ống than nano dùng trong actuator có thể xem như vật liệu "thông minh" biết ứng xử theo ư con người. Con cá robot của công ty Eamex là mô phỏng thành công từ thiên nhiên. Người viết cũng đă từng xem video con bướm robot biết đập cánh (nhưng chưa bay!) trong một bài báo cáo tại một hội nghị khoa học quốc tế. Trong kho tàng thi văn Việt Nam, nữ sĩ Hồ Xuân Hương có lần phóng bút "Mơ thảm không khua mà cũng cốc. Trống sầu chẳng đánh cũng kêu om". Trong những vần thơ phá cách và phóng túng của nữ sĩ, ta bỗng thấy bàng bạc h́nh dáng vật liệu thông minh và dụng cụ "tự động hóa" của thế kỷ 21!

Nguyên lư dẫn động của actuator tương đối đơn giản. Dù vậy, actuator như một động cơ yên ắng đă nhẹ nhàng quán xuyến từ thế giới vĩ mô đến thế giới vi mô, từ con robot to đùng đến máy bôm nhỏ bé (micro pump), từ những việc cụ thể trên mặt đất đến những linh kiện sử dụng trong không gian. So với cơ bắp sinh học, cơ bắp nhân tạo được thiết kế cho ra những năng suất vượt trội. Tuy nhiên, không phải tất cả đều nằm trong không gian màu hồng với những thành công vĩ đại! Actuator dùng polymer dẫn điện vẫn c̣n mang nhiều tính hàn lâm. Ống than nano cho nhiều tiềm năng nhưng c̣n mắc chướng ngại trong việc chế biến. Người viết và đồng nghiệp [8] đă phân tích ảnh hưởng cơ tính đến độ co giăn và năng lực dẫn động nhằm t́m kiếm một vật liệu lư tưởng hay tối ưu hóa một composite trong đó những ưu khuyết điểm có thể bổ sung cho nhau.

Nhưng Mẹ thiên nhiên dường như lúc nào cũng muốn thách thức con người; đến nay vẫn chưa có một vật liệu nào có thể co giăn được 1 tỷ lần như cơ bắp sinh học. Tiến sĩ Yoseph Bar-Cohen (Jet Propulsion Lab, Mỹ), người tổ chức hội thảo quốc tế về vật liệu actuator, hằng năm treo giải thưởng cho cá nhân hay nhóm nghiên cứu tạo ra một cánh tay nhân tạo để đọ sức với người kéo tay chuyên nghiệp. Cho đến nay (năm 2007) chưa ai giành được giải thưởng "vật thắng nhân". Điều nầy phản ảnh một hiện thực hơi phũ phàng là ngoài cơ bắp nhân tạo McKibben [9] dùng khí nén cồng kềnh, bất tiện, đến bây giờ vẫn chưa có một vật liệu nào có thể mô phỏng và thay thế cơ bắp sinh học để làm chân tay giả cho người khuyết tật v́ tai nạn, v́ chiến tranh. Cao su silicon hay acrylic có những đặc tính thích hợp, nhưng không thể mang vào bệnh nhân một b́nh điện để phóng điện vài ngàn volt cho một động tác. Đây là một nhu cầu bức thiết, nhưng hiện tại "năo lực" của các nhà khoa học vẫn "bất ṭng tâm"!   

TVT

15 July 2007

 

Ghi chú và Tài liệu tham khảo

 

  1. J. D. W. Madden et al, IEEE J. Oceanic Eng. 29 (2004) 706.
  2. R. H. Baughman, Synth. Met. 78 (1996) 339.
  3. http://www.erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/Cuaso_Thongminh.htm
  4. http://www.erct.com/2-ThoVan/TruongVTan/Fullerene.htm
  5. R. H. Baughman et al, Science 284 (1999) 1340.
  6. S. Aslhley, "Artificial Muscles", Scientific American (October 2003) 53.
  7. R. Pelrine, R. Kornbluh and G. Kopod, Adv. Mater. 12 (2000) 1223.
  8. G. M. Spinks, V.-T. Truong, Sensors and Actuators A 119 (2005) 455.
  9. Do y sĩ McKibben sáng chế vào thập niên 50 của thế kỷ trước. Cơ bắp nầy có quả bóng cao su thon dài có thể co lại khi bôm khí nén vào và giăn ra khi thả khí ra ngoài. Rất cồng kềnh và tiêu hao năng lượng (xem Wikipedia: "Pneumatic artificial muscles").

 


(*) Anh Trương Văn Tân sinh quán tại tỉnh Sa Đéc, cựu học sinh trường trung học Sa Đéc và Tống Phước Hiệp (Vĩnh Long). Anh Tân đến Nhật cuối năm 1969. Anh tốt nghiệp  Bachelor Eng. (1975), Master Eng. (1977) trường Tokodai (Tokyo Institute of Technology) và PhD (1980, University of Adelaide, Úc).
Anh Tân hiện làm việc tại Viện Khoa Học và Công Nghệ Quốc Pḥng (Defence Science and Technology Organisation) trực thuộc Chính Phủ Liên Bang Úc. Anh chuyên về Vật Liệu Học và hiện nghiên cứu về polymers dẫn điện và ống nano carbon. Anh đă công bố gần 70 bài báo cáo khoa học trên các tạp chí khoa học quốc tế. Xem thêm những bài viết của anh Trương Văn Tân trên ERCT

Cảm tưởng xin gởi về :  tvtan@erct.com

© "Khi phát hành lại bài này cần phải có sự đồng ư của tác giả 
và ghi rơ nguồn lấy từ
www.erct.com"