Bộ truyền động kim loại lỏng tự phục hồi mới có thể biến đổi robot và thiết bị đeo

Bước đột phá này mở ra cánh cửa mới cho các công nghệ có tần suất sử dụng cao, nhiều lần và vẫn có thể tiếp tục hoạt động mà không cần phải sửa chữa hoặc thay thế liên tiếp.

Hãy tưởng tượng một cánh tay robot có thể tự phục hồi sau khi bị rách hoặc một cơ nhân tạo vẫn có thể tiếp tục hoạt động sau khi bị hư hỏng nhờ vật liệu mới này - được phát triển thông qua việc kết hợp các cấu trúc nano kim loại lỏng vào ma trận polyurethane - biến những tình huống như vậy thành hiện thực.

Sự kết hợp giữa kim loại lỏng có thể thích ứng và polyme linh hoạt tạo ra một hệ thống có khả năng chịu được ứng suất cơ học trong khi đó nó vẫn giữ được khả năng tự phục hồi, một tính năng thiết yếu đối với môi trường động lực.

Trọng tâm của sự phát triển này là những giọt bé li ti kim loại lỏng gốc gali, được biết là có khả năng kéo giãn và dẫn nhiệt mà không bị phân hủy. Các hạt này, khi được bao bọc trong lớp vỏ polyphenol hữu cơ, tạo thành cấu trúc "lõi-vỏ" tương tác liền mạch với lớp polyurethane xung quanh. Thiết kế này có thể giải quyết một vấn đề phổ biến ở vật liệu linh hoạt đó là: sự đánh đổi giữa độ bền và khả năng thích ứng. Bằng cách sử dụng các tổ hợp lắp ráp có cấu trúc nano này, vật liệu vẫn giữ được độ bền kéo gian cao ngay cả khi bị kéo giãn đến cực độ, đồng thời vẫn có tính linh hoạt và chống hư hỏng.

Bộ truyền động mềm - thiết bị chuyển đổi năng lượng thành chuyển động cơ học - thường gặp phải những hạn chế về độ bền. Những bộ truyền động làm từ vật liệu cứng thì chắc chắn nhưng quá cứng để thực hiện các chuyển động phức tạp, trong khi vật liệu mềm, mặc dù linh hoạt nhưng có xu hướng nhanh chóng bị phân hủy do ứng suất. Do đó mà vật liệu mới này giải quyết được vấn đề đó nhờ khả năng cân bằng giữa độ bền và tính linh hoạt, rất lý tưởng cho các bộ truyền động cần hoạt động trong điều kiện khó khăn, chẳng hạn như trong ngành robot, nơi vật liệu phải trải qua các chuyển động lặp đi lặp lại nhiều lần và có thể tiếp xúc với các vật sắc nhọn.

Một trong những cải tiến chính của nghiên cứu này là tập trung vào "khả năng chống vết khía rách" - khả năng chống lại hư hỏng do các vết cắt hoặc vết rách nhỏ của vật liệu. Đối với các vật liệu mềm thông thường, ngay cả những khuyết điểm nhỏ cũng có thể phát triển thành các vết nứt lớn, dẫn đến hỏng hóc cơ học. Còn trong vật liệu composite mới này, các hạt nano kim loại lỏng biến dạng cùng với polyurethane xung quanh, phân bổ lại ứng suất và ngăn các vết nứt lan rộng. Khả năng chống nứt gãy này kéo dài đáng kể tuổi thọ của vật liệu, khiến nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao. Thử nghiệm cũng cho thấy vật liệu biểu thị năng lượng nứt gãy là 58,8 kJ/m2, một cải tiến lớn so với các vật liệu mềm truyền thống, nghĩa là nó có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn mà không bị gãy.

Một tính năng nổi bật khác là khả năng tự phục hồi của vật liệu ở nhiệt độ phòng. Không giống như các vật liệu tự phục hồi trước đây cần nhiệt hoặc ánh sáng bên ngoài để kích hoạt quá trình sửa chữa, vật liệu composite này tự phục hồi theo thời gian một cách tự nhiên. Khi vật liệu bị hư hỏng, các liên kết hydro trong giao diện siêu phân tử bị phá vỡ và tái tạo, cho phép vùng bị hư hỏng tự liên kết lại với nhau.

Trong các thử nghiệm, vật liệu đã phục hồi 92,5% độ bền kéo ban đầu và 96% độ co giãn sau khi tự phục hồi, một kỳ tích ấn tượng giúp giảm nhu cầu can thiệp từ bên ngoài. Quá trình tự phục hồi này hoạt động mà không cần thêm nhiệt, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng thực tế khi cần sửa chữa ngay lập tức mà không cần thiết bị đặc biệt.

Các đặc tính quang nhiệt của các hạt nano kim loại lỏng mang lại cho vật liệu một khả năng độc đáo khác, rất hữu ích cho các ứng dụng như rô bốt mềm hoặc cơ nhân tạo, thiết bị cần có chuyển động chính xác và nhanh chóng.

Độ ổn định nhiệt của vật liệu càng làm tăng thêm tính linh hoạt của nó. Trong quá trình thử nghiệm, vật liệu tổng hợp cho thấy khối lượng mất đi dưới 2% ở nhiệt độ lên đến 275 °C, nghĩa là nó có thể duy trì tính toàn vẹn của nó trong môi trường nhiệt độ cao. Điều này làm cho nó phù hợp để ứng dụng trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ hoặc rô bốt công nghiệp, những ngành mà vật liệu thường xuyên tiếp xúc với nhiệt độ cực cao.

Nhưng có lẽ khía cạnh thú vị nhất của nghiên cứu này là tiềm năng cách mạng hóa toàn bộ ngành công nghiệp. Trong ngành rô bốt, nơi máy móc cần hoạt động liên tục trong điều kiện khắc nghiệt, khả năng sửa chữa hư hỏng mà không cần sự can thiệp của con người có thể giảm thời gian chết và chi phí bảo trì. Đối với công nghệ đeo được, phải chịu được chuyển động và tiếp xúc liên tục với cơ thể, sẽ có thể được hưởng lợi nhiều từ các vật liệu thích ứng với ứng suất và tồn tại lâu hơn mà không cần thay thế. Thậm chí, các thiết bị y sinh cũng có thể trở nên đáng tin cậy hơn do vật liệu có khả năng tự chữa lành mà vẫn giữ được tính linh hoạt để di chuyển cùng với cơ thể.