Trong số đó, robot Tiangong Ultra đến từ Trung tâm Đổi mới Robot Con người Bắc Kinh đã hoàn thành chặng đua dài 21 km trong 2 giờ 40 phút. Dù còn chậm hơn nhiều so với các vận động viên, nhưng đây vẫn là một thành tích ấn tượng trong lĩnh vực robot.
Tuy nhiên, để hoàn thành quãng đường này, Tiangong Ultra phải dừng lại tới 3 lần để thay pin. Điều này làm nổi bật một trong những thách thức lớn nhất hiện nay với robot: vấn đề năng lượng.
Robot hiện đại có thể bắt chước chuyển động của động vật và thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với độ chính xác cơ học. Ở nhiều khía cạnh, chúng có thể sánh ngang với sinh vật sống về khả năng phối hợp và hiệu quả. Nhưng chúng vẫn thua xa về sức bền. Robot không mệt vì gắng sức, mà đơn giản là hết năng lượng.
Phó Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí chuyên về hệ thống năng lượng robot của Đại học Wisconsin-Madison, James Pikul, đã nghiên cứu về cách để giúp robot có sức bền như các sinh vật sống, và những trở ngại của nó. Mặc dù phần lớn nghiên cứu trong lĩnh vực robot về vấn đề năng lượng tập trung vào việc cải thiện pin nhưng vẫn còn một khả năng khác là chế tạo robot có thể "ăn".
Robot di chuyển tốt nhưng “đuối sức”
Robot ngày nay đã có thể chạy, leo trèo, thậm chí bắt chước chuyển động của động vật một cách đáng kinh ngạc. Những cái tên như Spot hay Atlas của Boston Dynamics đã cho thấy robot có thể cực kỳ linh hoạt và chính xác.
Vấn đề không nằm ở cách robot di chuyển mà ở cách lưu trữ năng lượng. Hầu hết robot di động ngày nay đều sử dụng pin lithium-ion. Loại này phổ biến, nhưng hiệu suất cải thiện rất chậm. Pin lithium-ion thế hệ mới chỉ tốt hơn khoảng 7% so với thế hệ trước. Với tốc độ đó, sẽ mất cả một thập kỷ chỉ để tăng gấp đôi thời gian hoạt động của robot.
Động vật lưu trữ năng lượng dưới dạng mỡ, với mật độ năng lượng lên tới gần 9 kWh trên mỗi kilogram. Nó tương đương khoảng 68 kWh của một chú chó kéo xe và năng lượng của một chiếc Tesla Model 3 sạc đầy. Trong khi, pin lithium-ion chỉ lưu trữ được một phần nhỏ, khoảng 0,25 kWh mỗi kilogram. Ngay cả với động cơ hiệu suất cao, một robot như Spot cũng cần loại pin mạnh hơn hàng chục lần để sánh được với sức bền của chó kéo xe.
Robot ngày nay có thể chạy, leo trèo, thậm chí bắt chước chuyển động của động vật một cách đáng kinh ngạc. Những cái tên như Spot hay Atlas của Boston Dynamics đã cho thấy robot có thể cực kỳ linh hoạt và chính xác.
Thêm pin không phải là giải pháp
Các nhà thiết kế robot có thể thêm nhiều pin hơn để tăng năng lượng. Nhưng việc này đồng nghĩa với tăng trọng lượng, làm tăng lượng năng lượng cần thiết để hoạt động. Với robot di động cao, cần cân bằng cẩn thận giữa tải trọng, hiệu suất và thời lượng hoạt động.
Một số robot sử dụng pin năng lượng mặt trời, về lý thuyết, chúng có thể kéo dài thời gian hoạt động, đặc biệt đối với các tác vụ tiêu thụ ít năng lượng hoặc trong môi trường nắng nóng.
Nhưng trên thực tế, loại pin này cung cấp rất ít năng lượng so với nhu cầu hoạt động với tốc độ hợp lý của robot di động. Đó là lý do đây hiện vẫn chỉ là một giải pháp mang tính chuyên biệt, phù hợp hơn với robot cố định hoặc tiêu thụ điện cực thấp.
Tại sao điều này lại quan trọng?
Để đảm nhận những vai trò quan trọng trong xã hội như hỗ trợ người cao tuổi, thám hiểm môi trường nguy hiểm và cùng con người làm việc, robot cần có sức bền để hoạt động trong nhiều giờ, chứ không phải chỉ vài phút.
Các loại pin mới như lithium-lưu huỳnh và kim loại-khí mang lại triển vọng đầy hứa hẹn. Khi kết hợp với các cơ cấu chuyển đổi năng lượng điện từ pin thành hoạt động cơ học, chúng có thể giúp robot đạt hoặc thậm chí vượt qua sức bền của động vật có lượng mỡ cơ thể thấp. Nhưng loại pin thế hệ mới này cũng có những hạn chế, như khó sạc lại, giảm hiệu suất theo thời gian hoặc khó khăn về kỹ thuật khi ứng dụng vào thực tế.
Sạc nhanh có thể giúp giảm thời gian ngừng hoạt động nhưng dễ làm giảm tuổi thọ pin, tăng nhiệt và thường yêu cầu cơ sở hạ tầng sạc công suất lớn. Trong môi trường không có nguồn điện, năng lượng hoạt động hạn chế không được giải quyết.
Do đó, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm phương án thay thế như “tiếp nhiên liệu” cho robot bằng nhiên liệu kim loại hoặc hóa học, giống như cách động vật ăn, để vượt qua giới hạn của việc sạc điện.
Một phương án thay thế: Trao đổi chất trong robot
Trong tự nhiên, động vật không sạc điện, chúng ăn. Thức ăn được chuyển hóa thành năng lượng thông qua quá trình tiêu hóa, tuần hoàn và hô hấp. Mỡ lưu trữ năng lượng đó, máu vận chuyển và cơ bắp sử dụng nó. Robot trong tương lai có thể theo mô hình tương tự với trao đổi chất tổng hợp.
Một số nhà nghiên cứu đang phát triển các hệ thống cho phép robot “tiêu hóa” nhiên liệu kim loại hoặc hóa học và hít thở oxy. Ví dụ, các bộ phản ứng hóa học tổng hợp giống dạ dày có thể chuyển đổi vật liệu có năng lượng cao như nhôm thành điện năng.
Điều này dựa trên nhiều tiến bộ trong lĩnh vực tự động hóa robot, nơi robot có thể nhận biết vật thể trong phòng và di chuyển để nhặt lên, nhưng ở đây robot sẽ thu thập các nguồn năng lượng.
Cải tiến từ cảm hứng sinh học
Những nghiên cứu khác đang phát triển hệ thống năng lượng dạng lỏng lưu thông như máu. Ví dụ như robot cá, đã tăng mật độ năng lượng gấp ba lần khi sử dụng một loại chất lỏng đa chức năng thay cho pin lithium-ion tiêu chuẩn.
Điều này đã mang lại hiệu quả tương đương với 16 năm cải tiến pin bằng cách lấy cảm hứng từ sinh học. Những hệ thống này có thể cho phép robot hoạt động trong thời gian dài hơn, lấy năng lượng từ những vật liệu lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với pin hiện nay.
Ở động vật, máu giúp điều hòa nhiệt độ, vận chuyển hormone, chống nhiễm trùng và chữa lành vết thương. Robot tương lai có thể quản lý nhiệt bằng chất lỏng tuần hoàn hoặc tự chữa lành nhờ vật liệu lưu trữ hoặc tiêu hóa được.
Thay vì chỉ có một bộ pin trung tâm, năng lượng có thể được lưu trữ khắp cơ thể, ở các chi, khớp và các thành phần mềm giống mô. Cách này sẽ tạo ra những cỗ máy không chỉ bền bỉ mà còn linh hoạt, kiên cường và giống sinh vật hơn.
Robot ngày nay hiện đã có thể chạy nhanh như động vật, nhưng không thể duy trì quãng đường dài. Chúng cũng nhanh nhẹn, trí tuệ ngày càng phát triển. Và nếu chúng ta cho chúng sức bền, tức chế tạo để chúng có thể "ăn" và hoạt động không cần nghỉ, đó sẽ là một cỗ máy hoàn hảo, thậm chí có thể hơn cả con người!
