Cơ bắp của động vật có vú đã cho chúng ta thấy sự kỳ diệu của tiến hóa. Các bó cơ giúp bơm máu đi khắp cơ thể để duy trì sự sống và cung cấp hàng tỷ chu trình làm việc với một biến dạng co thắt hơn 20% và một ứng suất khoảng 0,35 MPa. Chúng cũng có thể chuyển hóa năng lượng sinh học thành năng lượng cơ học với hiệu suất lên đến 40% - tương đương với hiệu suất chuyển hóa năng lượng của một động cơ xe hơi. Các kết quả nghiên cứu về vật liệu gần đây cho thấy, cơ bắp nhân tạo (hay “truyền động điện hóa”) có thể sớm vượt qua sự tiến hóa của cơ bắp tự nhiên, với công suất có thể gấp hàng trăm lần so với công suất của cơ bắp động vật.
KH&CN nước Cơ bắp nhân tạo: Khi vật liệu vượt qua tiến hóa tự nhiên Nguyễn Tuấn Hưng1, Vương Văn Thanh2 Viện Khoa học liên ngành (FRIS), Đại học Tohoku Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Cơ bắp động vật có vú cho thấy kỳ diệu tiến hóa Các bó giúp bơm máu khắp thể để trì sống cung cấp hàng tỷ chu trình làm việc với biến dạng co thắt 20% ứng suất khoảng 0,35 MPa Chúng chuyển hóa lượng sinh học thành lượng học với hiệu suất lên đến 40% tương đương với hiệu suất chuyển hóa lượng động xe Các kết nghiên cứu vật liệu gần cho thấy, bắp nhân tạo (hay “truyền động điện hóa”) sớm vượt qua tiến hóa bắp tự nhiên, với cơng suất gấp hàng trăm lần so với công suất bắp động vật Cơ bắp sinh học Để bắt đầu với bắp nhân tạo, tìm hiểu sơ lược chế hoạt động bắp sinh học, qua giúp định hướng việc thiết kế bắp nhân tạo mô bắp sinh học cách hiệu Cơ bắp sinh học tổ hợp bó cơ, bó bao gồm sợi cơ, sợi có đường kính 20-200 µm với thành phần cấu tạo chủ yếu protein [1] Các protein tổ chức đơn vị cấu trúc gọi sarcomere (thường dài khoảng µm) với hàng trăm phân tử myosin actin đan xen Một cụm myosin actin đan xen coi cỗ máy truyền động kích thước nm Cỗ máy hoạt động thông qua hai bước: i) Hệ thần kinh điều khiển để giải phóng ion canxi Ca2+ vào actin Do đó, actin liên kết với đầu myosion sarcomere; ii) Quá trình thuỷ phân phân tử ATP (adenosine triphosphate) giải phóng lượng hoá học cỡ khoảng kcal/mol Các myosin chuyển hoá lượng thành lượng học để dịch chuyển actin trượt Khi chu trình kết thúc, myosin tách khỏi actin, sau gắn lại vào vị trí liền kề Quá trình lặp lặp lại dẫn đến actin tiếp tục trượt myosion Hiện tượng gọi co (hình 1) 62 Số năm 2020 Hình Cấu tạo bắp sinh học từ quy mơ dm (bó cơ) tới nm (phân tử sarcomere) - phân tử bao gồm hàng trăm phân tử actin myosin đan xen Điều thú vị sợi có khả co thắt 20% tự phục hồi giúp cung cấp hàng tỷ chu kỳ làm việc Một bắp sinh học có hiệu suất chuyển hóa lượng lên đến gần 40% [2] Mặc dù bắp sinh học hoạt động truyền động chúng không giống thiết bị máy móc nay, mơ tơ bơm thuỷ lực phận truyền động chủ yếu Khi cơng nghệ phát triển, máy móc địi hỏi phải giảm kích thước xuống cỡ nano (kích thước nhỏ sợi tóc vài nghìn lần) Các thiết bị truyền động truyền thống khơng thể giảm xuống kích thước Để vượt qua vấn đề này, chế truyền động gọi “cơ bắp nhân tạo” thu hút KH&CN nước ý nhà khoa học, vật liệu có khả tự biến dạng ảnh hưởng điện trường hoá học giống bắp sinh học Cơ bắp nhân tạo Baughman - Giám đốc Viện NanoTech Đại học Texas (Mỹ) nhà khoa học tiên phong lĩnh vực bắp nhân tạo Năm 1999, Baughman cộng cơng bố nghiên cứu Tạp chí Science với tiêu đề “Bộ truyền động ống nano bon” [1] Cơng bố có hai ngàn lượt trích dẫn (theo liệu Scopus) Trong nghiên cứu mình, Baughman cộng lần giới thiệu truyền động đơn giản dựa vật liệu nano bon Ống nano bon vật liệu có dạng trụ rỗng với đường kính từ 0,4 vài chục nm, có độ bền lớn thép nhiều lần trọng lượng nhẹ đến mức trơi khơng khí Do đó, động truyền động sử dụng ống nano bon truyền động nhỏ giới Vật liệu truyền động chế tạo cách xoắn ống nano bon lại với thành sợi nano bon với đường kính vài trăm nm hình Sau truyền động thiết kế sơ đồ hình 3, bao gồm vật liệu truyền động, chất điện phân (gồm ion dương âm), nguồn điện pin lithium Khi hai sợi nano bon nối với pin nhúng chất điện phân, ion dương phía cực âm ngược lại ion âm phía cực dương Các sợi nano bon bị co thắt ion dương giãn nở ion âm Quá trình co nở dẫn đến cơng học Do đó, chuyển hố từ lượng hoá học thành lượng học sợi nano bon giống chế bắp sinh học giới thiệu phần Một vật liệu truyền động điện hóa gọi vật liệu bắp nhân tạo Hình Một sợi nano bon (nguồn: EarthSky) Hình Mơ hình thiết bị truyền động điện hoá dựa sợi nano bon (minh hoạ hình trụ), sợi nano bon bị co thắt ion dương giãn nở ion âm Sự phát triển vật liệu cho bắp nhân tạo Mặc dù thực nghiệm bắp nhân tạo sử dụng ống nano bon thực từ thập kỷ trước gần nghiên cứu lý thuyết tiến hành Nhóm nghiên cứu Đại học Tohoku (Nhật Bản) rằng, bó ống nano bon tạo công học cực lớn [2] Trong trường hợp bó ống nano bon lý tưởng, cơng suất gấp hàng trăm lần so với công suất bắp động vật Công học lớn, độ bền vật liệu cao, hoạt động điện áp nhỏ ưu điểm trội vật liệu ống nano bon, nhiên nhược điểm biến dạng chúng (khoảng 1%) nhỏ nhiều so với biến dạng bắp sinh học (khoảng 20%) Hơn nữa, ống nano bon sản xuất quy mơ cơng nghiệp giá thành cịn cao, dẫn đến hạn chế việc ứng dụng lĩnh vực bắp nhân tạo Trước hạn chế ống nano bon, nhà khoa học chuyển hướng sang nghiên cứu vật liệu hai chiều cho bắp nhân tạo dựa phát vật liệu graphene vào năm 2014 Andre Geim Kostya Novoselov (2 nhà khoa học trao giải Nobel vật lý năm 2010) Graphene vật liệu mỏng tự nhiên với độ dày lớp nguyên tử (0,34 nm), có tính chất học tương đương với ống nano bon Lợi vật liệu hai chiều có diện tích bề mặt lớn nên dễ dàng hấp thụ ion dương âm bề mặt, đồng thời có khả biến dạng tốt so với ống nano bon Tuy nhiên, nhược điểm chúng giá thành cao so với quy mô ứng dụng công nghiệp Số năm 2020 63 KH&CN nước tiền đề giúp nhà thực nghiệm thiết kế hệ thống truyền động tốt Hình Vật liệu hai chiều MoS2 với độ dày vài µm (a) thiết bị truyền động dựa vật liệu hai chiều MoS2 điện áp thấp từ -0,3 tới 0,3 V (b-e) [3] Trong loạt vật liệu hai chiều khác, molybdenum disulfide (MoS2) vật liệu có giá thành rẻ nhiều so với graphene, dễ dàng chế tạo có tính chất điện hố tốt Trong nghiên cứu cơng bố Tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu Chhowalla (Đại học Rutgers, Mỹ) cho thấy, bắp nhân tạo dựa MoS2 nâng vật nặng lớn trọng lượng 165 lần [3] Họ thành cơng việc giảm kích thước thiết bị truyền động xuống quy mơ nano, trọng lượng thiết bị 1,6 miligram (tương đương trọng lượng vài hạt ớt) nâng vật nặng 265 miligram (hình 4) Các nghiên cứu lý thuyết thực sau chúng tơi [4, 5] cho thấy, MoS2 bao gồm họ vật liệu có cấu trúc tương tự MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 WTe2 Bằng việc khảo sát khả truyền động vật liệu nêu trên, nhận thấy vật liệu WTe2 WS2 tốt MoS2 Phát Hiện có 200 vật liệu hai chiều có thành phần hoá học khác khám phá, thành phần hoá học với cấu trúc khác nhau, tính chất truyền động chúng khác Bên cạnh đó, vật liệu hai chiều xếp chồng lên lực tương tác van der Waals [6] Bằng cách này, vật liệu hai chiều khác xếp chồng lên hình thành vật liệu hồn tồn hình Như vậy, số lượng vật liệu hai chiều lớn tổ hợp 200 vật liệu xếp chồng lên Với số lượng vật liệu hai chiều lớn với hỗ trợ thuật tốn trí tuệ nhân tạo (AI), sớm tìm vật liệu tốt so với vật liệu hai chiều có Từ liệu đầu vào, thuật toán AI dự báo vật liệu tiềm cho bắp nhân tạo, sau nhà thực nghiệm đo đạc vật liệu để xác nhận lại kết từ AI Trong tương lai, cần nhà khoa học đa ngành (tính tốn lý thuyết, khoa học liệu thực nghiệm) để đồng thời tìm vật liệu bắp nhân tạo với hiệu suất cao có giá thành rẻ ? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R.H Baughman, et al (1999), “Carbon nanotube actuators”, Science, 284, pp.1340-1344 [2] N.T Hung, A.R Nugraha, R Saito (2017), “Chargeinduced electrochemical actuation of armchair carbon nanotube bundles”, Carbon, 118, pp.278-284 [3] M Acerce, E.K Akdoğan, M Chhowalla (2019), “Metallic molybdenum disulfide nanosheet-based electrochemical actuators”, Nature, 549, pp.370-373 [4] N.T Hung, A.R Nugraha, R Saito (2018), “Twodimensional MoS2 electromechanical actuators”, Journal of Physics D: Applied Physics, 51(7), pp.075306 [5] V Van Thanh, N.T Hung, D.V Truong (2018), “Charge-induced electromechanical actuation of Mo-and W-dichalcogenide monolayers”, RSC Advances, 8(67), pp.38667-38672 [6] A.K Geim, I.V Grigorieva (2013), “Van der Waals heterostructutes”, Nature, 499, pp.419-425 Hình Các vật liệu hai chiều khác xếp chồng lên mảnh ghép Lego [6] 64 Số năm 2020 ... chiều lớn tổ hợp 200 vật liệu xếp chồng lên Với số lượng vật liệu hai chiều lớn với hỗ trợ thuật tốn trí tuệ nhân tạo (AI), sớm tìm vật liệu tốt so với vật liệu hai chiều có Từ liệu đầu vào, thuật... học, vật liệu có khả tự biến dạng ảnh hưởng điện trường hoá học giống bắp sinh học Cơ bắp nhân tạo Baughman - Giám đốc Viện NanoTech Đại học Texas (Mỹ) nhà khoa học tiên phong lĩnh vực bắp nhân. .. ion dương giãn nở ion âm Sự phát triển vật liệu cho bắp nhân tạo Mặc dù thực nghiệm bắp nhân tạo sử dụng ống nano bon thực từ thập kỷ trước gần nghiên cứu lý thuyết tiến hành Nhóm nghiên cứu