Nâng cao Robot mềm với 'Năng lượng hiện thân' mở ra những khả năng mới

Ngành robot là một thị trường đang phát triển nhanh chóng, dự tăng từ 94.54 tỷ đô la vào năm 2024 lên vượt quá 372.59 tỷ đô la vào năm 2034. 

Robot công nghiệp hiện đang dẫn đầu sự tăng trưởng này. Ngày nay, hơn 3.4 triệu robot công nghiệp đang làm việc để cuộc sống của chúng ta dễ dàng hơn. Các công ty công nghiệp cũng đang có kế hoạch đầu tư 25% vốn của họ vào tự động hóa công nghiệp trong năm năm tới.

Khi ngành robot tiếp tục phát triển, một lĩnh vực con của ngành robot cũng đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Khi nhu cầu về robot tăng lên trong các ứng dụng ngoài tự động hóa công nghiệp, lĩnh vực con của ngành robot mềm đang ngày càng được quan tâm.

Những robot này mô phỏng cơ chế vận động của các loài vật mềm và linh hoạt có trong tự nhiên như rắn, giun đất, lươn, bạch tuộc và các loài khác. 

Robot mềm lấy cảm hứng từ các cấu trúc sinh học của những vật thể mềm này để chuyển động mượt mà và phức tạp. Thay vì sử dụng các thành phần kim loại cứng như robot truyền thống, robot mềm thường được thực hiện làm từ những vật liệu mềm dẻo như gel và cao su. T cho phép chúng thích nghi với môi trường phức tạp và tương tác an toàn với con người.

Để kích hoạt chúng, một số cách khác nhau được sử dụng, chẳng hạn như kích thích nhiệt, tín hiệu điện và áp suất không khí, trong số những cách khác. Các nguồn kích hoạt của chúng thường nằm bên ngoài cơ thể của robot và kiểm soát chuyển động của chúng.

Những robot này mang lại lợi ích về khả năng thích ứng và tăng cường an toàn. Việc sử dụng vật liệu linh hoạt và nhẹ đặc biệt làm cho những máy này phù hợp với tương tác trực tiếp của con người vì nó làm giảm nguy cơ thương tích. T khiến chúng có lợi ích cao trong các ứng dụng như chăm sóc sức khỏe và công nghệ đeo được.

Có các khớp nối linh hoạt và các bộ kẹp mềm cho phép các robot này uốn cong, xoắn và kéo giãn dễ dàng. Khả năng thực hiện các chuyển động sinh học giúp chúng có thể sử dụng trong các nhiệm vụ có thể không an toàn cho con người hoặc đòi hỏi mức độ kiểm soát cao. Tính linh hoạt và khéo léo về mặt cấu trúc của chúng cũng khiến chúng trở nên nhàn rỗi khi xử lý các vật dễ vỡ và thực hiện các nhiệm vụ tinh vi khác.

Nhưng tất nhiên, robot mềm cũng phải đối mặt với những thách thức như sức mạnh hạn chế, độ chính xác thấp, độ bền thấp, khó khăn trong sản xuất và mở rộng quy mô, và cần có các thuật toán tiên tiến và hệ thống cảm biến mở rộng.

Tuy nhiên, do khả năng của robot mềm gần giống với các sinh vật học mềm nên chúng là một tính năng đầy hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, tìm kiếm cứu nạn và thám hiểm không gian.

Một số robot mềm đầy hứa hẹn đã còn phát triển. Ví dụ, robot xúc tu của Harvard có bộ phận kẹp mềm giống như sứa có thể nhẹ nhàng kẹp các vật dễ vỡ bằng cách mô phỏng cơ chế của tóc xoăn.

Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, K-FLEX từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc có khả năng thực hiện phẫu thuật nội soi không để lại sẹo, và trái tim sinh học của MIT có thể giúp các chuyên gia y tế nghiên cứu các bệnh tim mạch và xác định phương pháp điều trị tốt nhất cho bệnh nhân.

Robot mềm cũng là đang được sử dụng để khám phá đại dương. Vài năm trước, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã trình làng một robot mềm tự cung cấp năng lượng có thể chạm tới điểm sâu nhất — Rãnh Mariana. Đối với sự cạn kiệt không gian, robot mềm đào hang do NASA tài trợ có thể di chuyển trên địa hình nhiều cát và một ngày nào đó có thể được đưa đến để khám phá các mặt trăng của Sao Mộc.

Khi nghiên cứu xung quanh robot mềm tiến triển, chúng thậm chí có thể được mong đợi để thay thế robot cứng nhắc trong nhiều ứng dụng khác nhau. 

Sự tiến hóa của các loài robot mềm

Một nghiên cứu mới từ Cornell Engineering đã giới thiệu một loại robot bò trên cạn không cần dây neo, có hệ thống năng lượng mô-đun tích hợp trên toàn bộ thân mềm của nó. 

Trước khi tạo ra robot giun này, Phòng thí nghiệm đã chế tạo một robot sứa hợp tác với Archer Group của Cornell Engineering. Cả hai đều là hậu duệ trực tiếp của một robot mềm dưới nước đã được trình bày sáu năm trước. 

Vì vậy, vào năm 2019, các nhà nghiên cứu của Đại học Cornell đã trình bày một giấy¹ được gọi là “Hệ thống mạch điện phân cho rô-bốt năng lượng cao”. Hệ thống này mô phỏng pin dòng chảy oxy hóa khử, kết hợp các chức năng truyền lực thủy lực, truyền động và lưu trữ năng lượng thành một thiết kế giúp tăng mật độ năng lượng của rô-bốt để có thể hoạt động trong tối đa 36 giờ. 

Để thực hiện điều này, các nhà nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ loài cá sư tử, loài cá sử dụng vây hình quạt gợn sóng để lướt qua môi trường rạn san hô.

Vào thời điểm đó, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng “việc sử dụng lưu trữ năng lượng điện hóa trong chất lỏng thủy lực có thể tạo điều kiện tăng mật độ năng lượng, tính tự chủ, hiệu quả và tính đa chức năng trong các thiết kế rô-bốt trong tương lai”.

Cách đây vài tháng, một giấy mới², “Sử dụng đa chức năng của pin nước cho robot sứa dung lượng cao” đã được công bố. Lần này, một RFB đã được hình thành có hình dạng giống con sứa, có chức năng sử dụng năng lượng đa dạng. 

Con sứa chủ yếu được làm của một chất gọi là “mesoglea,” đóng vai trò như một bộ xương bên trong. Chất này làm cho cơ thể của sứa đàn hồi và giúp phục hồi hình dạng sau khi nó bị biến dạng do co cơ. Mesoglea được tạo thành các sợi nhỏ chứa fibrillin mà sứa sử dụng để cung cấp năng lượng cho cơ bắp cũng như giúp nó di chuyển và kiếm ăn.

Robot được cung cấp năng lượng hoàn toàn bằng RFB với mật độ năng lượng thể tích và diện tích tăng lên, giúp UUV có tuổi thọ hoạt động dài hơn, thành phần chủ yếu là chất lỏng, vốn có mật độ năng lượng điện hóa cao.

Bây giờ, nghiên cứu³ đã tiến hóa hơn nữa, giống như sự sống trên cạn, được thúc đẩy bởi sự phát triển và thiết kế pin.

Theo Rob Shepherd, giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ, người đứng đầu dự án trước và dự án mới này:

“Đây là cách sự sống trên đất liền tiến hóa. Bạn bắt đầu với loài cáthì bạn có một sinh vật đơn giản được mặt đất nâng đỡ. Con giun là một sinh vật đơn giản, nhưng nó có nhiều mức độ tự do hơn.”

Cùng một “máu robot”, tức là chất lỏng thủy lực lưu trữ năng lượng và cung cấp năng lượng cho các ứng dụng của robot trước đó, cũng đang duy trì loài robot mới. Tuy nhiên, lần này, các nhà nghiên cứu đã cải tiến thiết kế hơn nữa để đạt được dung lượng pin và mật độ công suất lớn hơn.

Shepherd lưu ý rằng loài sứa có khả năng chịu được trọng lượng lớn hơn nhiều. T tăng thời gian mà cá rô bốt có thể di chuyển, dài hơn thời gian của cá thực tế. Bây giờ, phiên bản trên mặt đất đầu tiên của chúng là con sâu, được hỗ trợ nổi khi ở dưới nước và không cần bộ xương, nghĩa là nó không cần phải cứng.

Nhấp vào đây để tìm hiểu xem gốm có phải là chìa khóa để mở rộng các giác quan thành robot mềm hay không.

Năng lượng hiện thân cung cấp năng lượng cho robot mềm

Khi nhu cầu về tính linh hoạt trong ngành robot tăng lên, độ phức tạp của chúng cũng tăng theo. T có nghĩa là sự gia tăng mật độ cảm biến và mức độ tự do (DoF), tức là chuyển động độc lập của một vật thể.

Do đó, mức tiêu thụ điện năng của robot cũng có khả năng tăng lên, điều này làm cho khả năng năng lượng trở thành một yếu tố quan trọng được xem xét.

T là nơi năng lượng tích hợp xuất hiện. Đây là chiến lược thiết kế cải thiện mức mật độ năng lượng của hệ thống thông qua việc sử dụng đa chức năng các nguồn năng lượng nhúng. Phương pháp này về cơ bản bao gồm các nguồn năng lượng trong thân máy, giúp giảm chi phí và trọng lượng.

Mô hình robot giun do Phòng thí nghiệm Robot hữu cơ chế tạo và loài sứa của họ đều thể hiện những lợi ích của 'năng lượng hiện thân' này. 

Bằng cách đưa năng lượng được lưu trữ trong pin vào một phần không thể thiếu của cấu trúc và máy móc của robot, các nhà nghiên cứu đã có thể đạt được kết quả tốt hơn. Nghiên cứu lưu ý:

“Việc đưa nguồn điện vào các mô-đun truyền động gân dẫn động bằng động cơ cung cấp một đơn vị cơ nhân tạo có thể lắp ghép thành rô-bốt có khả năng làm việc hữu ích trong thời gian dài.”

Cả hai robot đều có pin dòng oxy hóa khử (RFB), một loại hệ thống điện hóa lưu trữ năng lượng được cung cấp bởi hai thành phần hóa học hòa tan trong chất lỏng. 

Trong trường hợp của robot hình con sứa, RFB đã được xây dựng với một gân. Khi gân bị kéo, nó thay đổi hình dạng của chiếc chuông và đẩy sinh vật lên cao, rồi chìm xuống khi chiếc chuông giãn ra. 

Quan trọng hơn, robot sứa có một cặp pin oxy hóa khử: kẽm iodide (ZnI2) và kẽm bromide (ZnBr2). Bromine được thêm vào iốt trong một trong những cục pin để tăng cường vận chuyển ion, giúp tăng dung lượng pin và mật độ năng lượng. Kết quả là, robot sứa nhanh hơn và linh hoạt hơn, có tuổi thọ hoạt động khoảng 90 phút.

Bây giờ, để tránh vấn đề tích tụ dendrite trên các chất nền điện của pin, cản trở việc sạc và xả pin, các nhà nghiên cứu đã sử dụng graphene. Việc áp dụng graphene cho phép họ để phù hợp hơn các mặt phẳng tinh thể và lớp mạ kẽm đều hơn. 

Robot giun có thiết kế chia ngăn. Thân giun là một loạt các vỏ được kết nối với nhau, mỗi vỏ chứa một động cơ và bộ truyền động gân để cho phép giun nén và mở rộng hình dạng của nó. Mỗi vỏ cũng chứa một đống túi anolyte ngập trong catholyte.

Một yếu tố thiết yếu của thiết kế là sử dụng phương pháp bám dính khô để tự động liên kết các bộ tách Nafion với thân đồng trùng hợp silicon-urethane của con sâu. Bộ tách giữ các anolyte và catholyte tách biệt trong khi cho phép điện tích di chuyển giữa chúng, sau đó dẫn các electron qua động cơ.

“Có rất nhiều rô-bốt được cung cấp năng lượng bằng thủy lực, và chúng tôi là những người đầu tiên sử dụng chất lỏng thủy lực làm pin, giúp giảm tổng trọng lượng của rô-bốt, vì pin phục vụ hai mục đích, cung cấp năng lượng cho hệ thống và cung cấp lực để nó di chuyển. Vì vậy, bạn có thể có những thứ như một con sâu, nơi hầu như toàn bộ năng lượng, Vì vậy nó có thể di chuyển trên những quãng đường dài.”

– Người chăn cừu

Khi thử nghiệm robot giun, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nó có thể di chuyển từng chút một trên mặt đất cũng như di chuyển lên xuống một đường ống thẳng đứng. Mặc dù con giun robot có thể di chuyển trên một đường cong khép kín và leo lên xuống, nhưng nó khá chậm, mặc dù vẫn nhanh hơn các con giun robot chạy bằng thủy lực khác. Với một lần sạc, con giun mất 35 giờ để di chuyển 105 mét.

Theo các nhà nghiên cứu, loài giun này có thể tìm thấy ứng dụng của nó trong việc khám phá môi trường hạn chế như các lối đi dài và hẹp và có thể tiến hành sửa chữa. Đối với loài sứa, ứng dụng của nó có thể được tìm thấy trong việc khám phá đại dương. 

Được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân và Chương trình Khoa học Năng lượng Cơ bản của Bộ Năng lượng, nghiên cứu này chỉ là bước khởi đầu, vì trọng tâm công việc trong tương lai của họ sẽ là RFB hoàn toàn lỏng. Nghiên cứu lưu ý rằng pin polysulfide-iodide, với mật độ năng lượng cao và chi phí thấp, đặc biệt, cho thấy triển vọng cho các ứng dụng robot mềm.

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu xây dựng những robot năng lượng có khả năng tích hợp cao. Những robot tương lai này cũng sẽ có bộ xương và thậm chí có thể đi bộ, tạo ra những robot giống con người.

“Một sinh vật không hoàn hảo. Nhưng vẫn hoạt động khá tốt.”

– Người chăn cừu

Các công ty có liên quan

Bây giờ, chúng ta hãy cùng xem xét một số công ty niêm yết công khai đang giúp thúc đẩy lĩnh vực robot. 

1. Tập đoàn iRobot (IRBT -2.95%)

Là một công ty robot tiêu dùng toàn cầu, iRobot tham gia vào việc thiết kế, xây dựng và bán các loại robot bền bỉ. Các sản phẩm của công ty bao gồm Roomba, Braava và Root. iRobot đã bán được hàng chục triệu robot trên toàn thế giới.

Với vốn hóa thị trường là 231 triệu đô la, cổ phiếu iRobot hiện đang giao dịch ở mức 7.59 đô la, giảm 2.45% so với đầu năm. EPS (TTM) là -4.60, trong khi tỷ lệ P/E (TTM) là -1.64.

Gần đây nhất, công ty đã báo cáo kết quả tài chính sơ bộ cho quý 2024 năm 171, theo đó công ty dự kiến ​​doanh thu là 59 triệu đô la và khoản lỗ hoạt động theo GAAP là 2024 triệu đô la. Công ty cũng dự kiến ​​tiền mặt và các khoản tương đương tiền mặt vào cuối năm tài chính 134 sẽ vào khoảng XNUMX triệu đô la.

Kết quả, theo Tổng giám đốc điều hành Gary Cohen, "phản ánh chi tiêu khuyến mại theo mùa cao hơn dự kiến ​​để kích thích doanh số bán hàng trước khi ra mắt sản phẩm mới năm 2025 của chúng tôi". Ông cũng chia sẻ rằng iRobot đã "thay đổi cơ bản cách chúng tôi đổi mới, phát triển và xây dựng người máy,” và các sản phẩm dự kiến ​​ra mắt “được thiết kế để gây ấn tượng với người tiêu dùng bằng những chú robot giàu tính năng và cải thiện trải nghiệm sản phẩm của người tiêu dùng” đang được lên kế hoạch ra mắt trong năm nay.

2. đất nước (TER -0.6%)

Là nhà cung cấp thiết bị kiểm tra tự động và giải pháp robot toàn cầu, Teradyne hoạt động thông qua bốn phân khúc tập trung vào chất bán dẫn, sản phẩm không dây, hệ thống lưu trữ, hàng không vũ trụ và bảng mạch, và robot, bao gồm cánh tay robot, robot di động tự động và phần mềm điều khiển robot tiên tiến.

Công ty đã triển khai hơn 80,000 hệ thống rô-bốt tiên tiến trên toàn thế giới và đã đầu tư hơn 700 triệu đô la vào công nghệ rô-bốt và tự động hóa tiên tiến. Các rô-bốt MiR của Teradyne hợp lý hóa việc vận chuyển nội bộ và xử lý vật liệu, trong khi các cobot của công ty hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau. Các giải pháp tự động hóa của công ty cho phép các doanh nghiệp nâng cao hiệu quả hoạt động của mình bằng cách tích hợp sức mạnh của máy móc.

Với vốn hóa thị trường là 18.74 tỷ đô la, cổ phiếu Teradyne hiện đang giao dịch ở mức 116 đô la, giảm 8.61% so với đầu năm. EPS (TTM) của công ty là 3.32, trong khi tỷ lệ P/E (TTM) là 34.68. Công ty trả tỷ lệ cổ tức là 0.42%.

Trong quý 4 năm 2024, công ty báo cáo doanh thu là 753 triệu đô la, trong đó 98 triệu đô la là từ Robotics trong khi phần còn lại là từ phân khúc bán dẫn. Thu nhập ròng theo GAAP trong quý là 146.3 triệu đô la hoặc 0.90 đô la cho mỗi cổ phiếu pha loãng.

Tổng giám đốc điều hành Greg Smith cho rằng sự tăng trưởng này là nhờ vào khả năng tính toán AI mạnh mẽ và bộ nhớ liên quan trong khi mảng Di động và Ô tô/Công nghiệp vượt qua kỳ vọng. Tăng tốc doanh thu dự kiến trong năm nay, Teradyne đang có kế hoạch tái cơ cấu chiến lược mảng kinh doanh Robot để nâng cao trải nghiệm của khách hàng và thúc đẩy hiệu quả hoạt động.

3. Sinh học Zimmer (ZBH -1.43%)

Là một công ty công nghệ y tế toàn cầu, Zimmer Biomet tham gia vào các lĩnh vực sinh học, y học thể thao, chân tay giả, sản phẩm chấn thương, sản phẩm phẫu thuật và một bộ công nghệ robot sử dụng dữ liệu, phân tích dữ liệu và AI. 

Với vốn hóa thị trường là 22 tỷ đô la, cổ phiếu Zimmer Biomet hiện đang giao dịch ở mức 110.10 đô la, tăng 4.72% so với đầu năm. EPS (TTM) của công ty là 5.25, trong khi tỷ lệ P/E (TTM) là 21.07. Công ty trả tỷ lệ cổ tức là 0.87%.

Trong quý 3 năm 2024, công ty báo cáo doanh thu ròng là 1.824 tỷ đô la, tăng 4% so với cùng kỳ năm trước, trong khi thu nhập ròng đạt 249.1 triệu đô la. Thu nhập pha loãng trên mỗi cổ phiếu trong quý là 1.23 đô la, trong khi thu nhập pha loãng trên mỗi cổ phiếu đã điều chỉnh là 1.74 đô la. Sau "hiệu suất mạnh mẽ" này, CEO Ivan Tornos cho biết họ sẽ tiếp tục thúc đẩy "sứ mệnh giúp hàng triệu người giảm đau và cải thiện chất lượng cuộc sống". 

Trong thời gian này, công ty đã mua lại OrthoGrid Systems, một công ty công nghệ y tế tập trung vào các hệ thống hướng dẫn phẫu thuật do AI điều khiển để thay khớp háng toàn phần. Hiện tại, công ty cũng chuẩn bị mua lại Paragon 28, một công ty thiết bị y tế, trong một thỏa thuận trị giá 1.1 tỷ đô la để điều trị các bệnh về bàn chân và mắt cá chân.

Kết luận

Với nhu cầu tự động hóa và hiệu quả ngày càng tăng, sự phổ biến của robot cũng tăng theo. Trong bối cảnh tăng trưởng mạnh mẽ này, lĩnh vực robot mềm đang chứng kiến ​​nhiều đổi mới, mở ra các ứng dụng mới trong chăm sóc sức khỏe, thăm dò và tự động hóa công nghiệp. 

Sự tiến hóa của robot mềm—kết hợp khả năng thích ứng lấy cảm hứng từ các sinh vật sống với năng lượng hiện thân—mang theo tiềm năng cuối cùng là vượt qua những hạn chế lâu đời về độ bền và hiệu quả năng lượng. Khi các nhà nghiên cứu, được hỗ trợ bởi các sáng kiến ​​của chính phủ, tiếp tục tinh chỉnh thiết kế robot và các nguồn năng lượng đa chức năng, những cỗ máy này dần trở thành hiện thực, cải thiện khả năng tiếp cận, hiệu quả và an toàn.

Nhấp vào đây để tìm hiểu cách robot mềm sẽ được hưởng lợi từ chất lỏng dạng bọt.