Dự án Mắt chuồn chuồn: Robot sinh học của tương lai

Thứ Năm, 16/03/2017, 10:48

Các nhà khoa học thường nghiên cứu các động vật biết bay như chim chóc và côn trùng để lấy cảm hứng thiết kế khung sườn cho máy bay không người lái. Nhưng cũng có những nhà khoa học nghiên cứu những kỹ thuật làm sao để tương tác với chúng, hay thậm chí điều khiển hoạt động bay của chúng, nhằm mang lại những lợi ích to lớn khác.

Trước đây, các nhà khoa học đã thành công trong việc gắn thiết bị điều khiển cho các loài bọ to lớn như bọ hung, bọ cánh cứng... Nhưng như chúng ta đã biết, những con bọ này vừa to lớn vừa ồn ào. Tiếng vỗ cánh của nó có thể thu hút sự chú ý, nên không thể ứng dụng vào những nhiệm vụ mật như tình báo hay do thám.

Các kỹ sư tại Công ty nghiên cứu Charles Stark Draper Laboratory (CSDL) ở Cambridge, Massachusetts (Mỹ) đang hy vọng vượt qua những giới hạn đó bằng cách kết hợp các công nghệ thu nhỏ, sinh học và thần kinh học. Và họ đã lập ra một dự án mang tên DragonflEye (Mắt chuồn chuồn) để thực hiện điều này.

Dự án Mắt chuồn chuồn sử dụng kỹ thuật quang - di truyền (optogenetics) - một kỹ thuật dùng ánh sáng để gửi tín hiệu đến các neuron thần kinh. Các nhà nghiên cứu đã tác động gen để các neuron thần kinh của chuồn chuồn nhạy cảm hơn với ánh sáng, nhờ đó có thể dễ dàng điều khiển chúng bằng kỹ thuật này.

Phiên bản đầu tiên của hệ thống điều khiển hoạt động bay của chuồn chuồn.

Đây được cho là tiến bộ vượt trội của Mắt chuồn chuồn. Việc tác động vào dây thần kinh điều khiển bay sẽ giúp cho việc kiểm soát hoạt động bay linh hoạt và “tự nhiên” hơn là tác động trực tiếp đến các cơ phụ trách hoạt động bay của côn trùng như trước đây.

Chuồn chuồn có đầu to, thân dài và 2 cặp cánh không phải lúc nào cũng vỗ cùng nhịp, theo một nghiên cứu được công bố năm 2007 trên nhật báo Physical Review Letters. Các tác giả nghiên cứu phát hiện rằng chuồn chuồn nâng độ cao khi 2 cặp cánh cùng vỗ một lúc, và giữ nguyên độ cao khi vỗ 2 cặp cánh không cùng nhịp, dù ở cùng tốc độ như nhau.

Trong khi đó, phát hiện của các nhà khoa học năm 2014 cho thấy mỗi cánh trong 4 chiếc cánh của chuồn chuồn được điều khiển bằng các cơ riêng biệt, giúp chúng có thể lao tới, dừng lại hay chao lượn cực kỳ linh hoạt. Theo các nhà nghiên cứu, chuồn chuồn được chọn làm đối tượng nghiên cứu vì chúng là loài côn trùng phổ biến, sức khỏe dẻo dai và có cơ chế bay cực kỳ linh hoạt.

Các nhà nghiên cứu đã dùng máy quay video tốc độ cao để theo dõi hoạt động bay của chuồn chuồn và xây dựng các mô hình vi tính để hiểu rõ hơn sự vận động phức tạp của loài côn trùng này. Những kết quả nghiên cứu được công bố tại Hội nghị Động lực học Động vật lần thứ 67 do Hiệp hội Vật lý Mỹ tổ chức vào tháng 11-2014.

Dự án Mắt chuồn chuồn xem chuyên gia bay lượn tí hon này như một động vật bay có thể điều khiển nhiều tiềm năng, có thể cung cấp cho con người những “máy bay không người lái” có nhiều ưu điểm như nhỏ, gọn, nhẹ và bí mật hơn bất cứ thứ gì con người từng làm ra, theo Jesse Wheeler, một kỹ sư sinh hóa tại Phòng thí nghiệm Charles Stark Draper Laboratory (CSDL) ở Massachusetts và là nhà nghiên cứu chủ lực của dự án Mắt chuồn chuồn.

Dự án là sự hợp tác giữa CSDL, nơi đang phát triển thiết bị gắn lưng để điều khiển chuồn chuồn và Viện Y học Howard Hughes Medical Institute (HHMI) tại Janelia Farm, nơi các chuyên gia đang tìm cách xác định những dây thần kinh có vai trò điều khiển hoạt động bay của chuồn chuồn, sau đó thêm vào các gen giúp nó nhạy cảm hơn với ánh sáng.

“Dự án này đặt tất cả những tri thức về năng lượng, cảm ứng chuyển động, thuật toán, quang - di truyền học và tinh gọn hóa vào trong một hệ thống đủ nhỏ để một con côn trùng có thể mang trên mình”, Wheeler nói.

Với việc có thể gói gọn tất cả công nghệ vào một cấu trúc tí hon, dự án này có thể mở ra triển vọng có thể điều khiển được tất cả các loài côn trùng nhỏ biết bay như ong và chuồn chuồn. Một yếu tố quan trọng giúp thu nhỏ cấu trúc là việc dùng các miếng pin mặt trời để cung cấp năng lượng, giúp giảm đáng kể kích thước so với dùng pin. Các nhà khoa học cũng tích hợp hệ thống điều khiển và dò đường, giúp việc dò đường tự động hoàn toàn có thể kích hoạt khi nằm ngoài môi trường kiểm soát.

Có những thiết bị nhỏ hơn bộ gắn lưng chuồn chuồn đã được CSDL chế tạo gồm các sợi quang có thể quấn quanh những sợi dây thần kinh của chuồn chuồn, nhờ đó các kỹ sư có thể chỉ cần nhắm đến các neuron liên quan đến hoạt động bay, một đại diện của CSDL nói.

Ngoài việc kiểm soát hoạt động bay của chuồn chuồn, những sợi dây này cũng có thể được ứng dụng vào y học để điều trị bệnh cho con người. “Một ngày nào đó, những công cụ tương tự có thể mang lại những liệu pháp trị liệu y khoa tiên tiến hơn cho con người, và ít hiệu ứng phụ hơn. Kỹ thuật cáp quang của chúng tôi mở ra một chân trời mới, cung cấp những giải pháp mới để có thể nhắm tới những sợi thần kinh nhỏ hơn và cho hiệu quả cao hơn”, kỹ sư Wheeler nói.

Anh Kiệt (Theo Live Science)