Đảo ngược tiến hóa, khoa học đã có thể giúp rắn "mọc thêm chân"

Allen Pan đã cố gắng đảo ngược lịch sử tiến hóa bằng cách giúp cho loài rắn "mọc" thêm 4 chân để di chuyển.

Rắn là loài động vật xuất hiện từ kỷ Jura, tức khoảng 150 triệu năm trước. Chúng được cho là đã tiến hóa từ những loài thằn lằn đào hang hoặc thằn lằn sống dưới nước, theo thời gian chúng đã tiến hóa để "bỏ" đi 4 chân và hình thành một cơ thể nhắn, phủ đẩy vẩy để có thể trượt trên mặt đất. Thực tế này đã thúc đẩy nhà sản xuất và YouTuber Allen Pan làm điều gì đó để đảo ngược sự tiến hóa này và giúp cho chúng có những cái chân để di chuyển.

Lấy cảm hứng từ một số loại chân giả được chế tạo cho những chú chó, mèo bị tật nguyền, Pan bắt đầu với một giải pháp có sẵn kết hợp một cặp khung xương robot hoạt động tương tự như một con cua để gắn vào hai đầu thân rắn. Tuy nhiên, việc thiếu cấu trúc hỗ trợ ở giữa có thể dẫn đến việc gây ra những thương tổn nhất định đối với con vật, do đó nguyên mẫu này đã sớm bị loại bỏ.

Cả hai cặp chân trước và sau đều được nối bằng một đầu nối phẳng.

Để khắc phục những vấn đề này, Pan đã thiết kế một bộ bốn chân trong Tinkercad mà mỗi chân gồm hai đoạn. Cả hai cặp chân trước và sau đều được nối bằng một đầu nối phẳng, đồng thời chứa một động cơ servo ở mỗi bên để chuyển động từ bên này sang bên kia, cùng với một đường cắt ở giữa để gắn ống ngăn rắn trong suốt. 

Bản thân robot bao gồm 4 chân, mỗi chân có 3 khớp và hai servo. Khớp chân xoay tự do để xử lý mọi địa hình không bằng phẳng.

Tổng cộng sẽ có tám động cơ servo, được cung cấp năng lượng bởi một bộ pin LiPo. Chúng cũng được kết nối với bảng điều khiển servo chuyên dụng thông qua máy tính chủ và được điều khiển không dây. Vì rắn có nguồn gốc từ thằn lằn, bởi vậy Pan đã quan sát cẩn thận cách những con thằn lằn di chuyển để mô phỏng dáng đi cho những chiếc chân giả này. 

Dáng đi của robot được lấy cảm hứng từ những con thằn lằn mà Allen quan sát thấy trong một cửa hàng thú cưng. Phần thân chính của robot là một ống nhựa trong suốt.

Robot được lấy cảm hứng từ loài rắn

Ngoài ra, sự di chuyển của loài rắn cũng được lấy để làm nguồn cảm hứng chế tạo robot cho các nhà khoa học. Loài vật này di chuyển nhanh chóng qua các môi trường không có cấu trúc và tránh chướng ngại vật bằng cách đi vòng qua hoặc vượt qua chúng, hay xuyên qua các lỗ nhỏ trên chướng ngại vật, chẳng hạn như một đống đá. Trong nhiều năm, các kỹ sư đã nghiên cứu khả năng vận động vượt trội của loài rắn để tạo ra những robot giống với loài rắn, có thể di chuyển theo những cách tương tự.

Robot rắn hay Snakebots đặc biệt có giá trị trong các hoạt động tìm kiếm và cứu nạn. Chúng có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, từ những con robot rắn dài khoảng vài mét hoạt động dưới đáy đại dương đến những con rắn có kích thước vô cùng nhỏ bé được chế tạo với mục đích phục vụ y tế.

Snakebots truyền thống di chuyển bằng cách sử dụng các chuyển động giống như loài rắn thực. Nhưng ở thời điểm hiện tại, với các Snakebots thế hệ tiếp theo, chúng sẽ có thiết kế theo mô-đun, bao gồm một loạt các mô-đun độc lập được kết nối và lập trình để hoạt động cùng nhau. Điều này cho phép chúng tiếp tục hoạt động ngay cả khi một số mô-đun bị phá hủy.

Những tiến bộ mới trong bộ truyền động, thuật toán lập kế hoạch chuyển động, phản hồi lực và mô-đun đang đưa robot rắn lên mức độ phức tạp nhất định và chức năng cao hơn.

Nếu các nhà chế tạo dùng các vật liệu có tính chất tạo ma sát tương tự như các vảy trên da rắn, robot có thể thực hiện các di chuyển kiểu rắn trườn và các nhà chế tạo robot không phải lắp thêm các bánh xe để chống lại hiện tượng trượt sang hai bên. Như vậy phát hiện này có thể giúp thiết kế các kiểu robot mô phỏng vận động của rắn hoạt động trong các không gian chật hẹp.

Viện Robotics của Đại học Carnegie Mellon được nhiều người coi là ngôi nhà của việc thiết kế và phát triển robot rắn. Các kỹ sư của CMU đã đạt được những tiến bộ trong công nghệ cảm ứng lực để robot có thể xác định mức độ chặt chẽ mà nó cần quấn quanh một vật thể để bám vào — loại bỏ nhu cầu lập trình trước cho robot dựa trên các điều kiện "phỏng đoán tốt nhất" của môi trường hoạt động của nó.

Aaron Johnson, một nhà chế tạo robot và là giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Carnegie Mellon cho biết: "Hầu như bất kỳ loài động vật nào bạn có thể tưởng tượng đều được sử dụng làm nguồn cảm hứng cho robot. Đó là bởi vì động vật - bao gồm cả con người - giỏi làm những việc mà các nhà chế tạo robot muốn những cỗ máy của họ có thể làm được, ví dụ như nhặt đồ, nhảy hoặc di chuyển trên đống đổ nát".

Johnson cho biết: "Thay vì cố gắng bắt chước chính xác cơ chế và hành vi của động vật, chúng tôi cố gắng hiểu các nguyên tắc về cách động vật thực hiện thành công những gì nó làm và áp dụng điều đó vào một hệ thống robot mới".

Các robot này có thiết kế mô-đun, trong đó các phân đoạn hoặc mô-đun có thể được thêm hoặc bớt để thay đổi chiều dài của robot. Mỗi mô-đun là một cơ cấu hoạt động đàn hồi nối tiếp được gắn với các cảm biến cho phép điều khiển vị trí, vận tốc và mô-men xoắn nhạy có thể điều khiển, cũng như đo lường quán tính ba trục.

• Trình làng robot bác sĩ liên hành tinh sẽ làm việc cho NASA
• Trung Quốc phát triển tàu ngầm không người lái bay được
• Bọt biển nano trên graphene giúp lọc nước thải công nghiệp hiệu quả