Siêu vật liệu lưu trữ năng lượng nhiều hơn 160 lần, mở đường cho thế hệ robot thông minh mới

Hiện, bước đột phá từ các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đang đưa công nghệ lưu trữ năng lượng lên một tầm cao mới.

Sự tiến bộ của con người luôn phụ thuộc vào khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng hiệu quả. Lò xo, bộ đệm và vật liệu giảm chấn cung cấp năng lượng cho mọi thứ, từ máy móc công nghiệp đến chân tay robot tương lai.

Các nhà nghiên cứu vừa phát triển một loại vật liệu mang tính đột phá có thể tác động mạnh mẽ đến công nghệ robot và tiết kiệm năng lượng.

Họ đã phát triển một loại siêu vật liệu cơ học mới, các cấu trúc nhân tạo có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi hiệu quả hơn bao giờ hết.

Sự đổi mới này có thể dẫn đến những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực robot tiết kiệm năng lượng, hệ thống cơ khí và cấu trúc linh hoạt giúp tối đa hóa việc sử dụng năng lượng trong khi vẫn duy trì được độ bền và chắc chắn.

Những vật liệu này sử dụng cấu trúc độc đáo gồm các thanh xoắn biến dạng theo hình xoắn ốc, cho phép chúng hấp thụ và giải phóng một lượng lớn năng lượng đàn hồi.

Bằng cách tận dụng thiết kế mới lạ này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một vật liệu kết hợp độ cứng cao, độ bền cao và tính linh hoạt đặc biệt.

Siêu vật liệu lưu trữ năng lượng ứng dụng trong ngành sản xuất robot và công nghiệp năng lượng (Ảnh: Interesting Engineering)

Siêu vật liệu cơ học là gì?

Siêu vật liệu là vật liệu được thiết kế đặc biệt để có những đặc tính không tồn tại trong tự nhiên. Chúng được tạo ra bằng cách sắp xếp các thành phần cấu trúc nhỏ theo cách chính xác để tạo ra vật liệu có tính chất cơ học tốt hơn.

Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu KIT đã phát triển một siêu vật liệu cơ học được tạo thành từ các thanh xoắn chặt và sắp xếp theo một kiểu mẫu cụ thể.

Thông thường, khi lò xo bị uốn cong, ứng suất sẽ tích tụ ở bề mặt trên và dưới của lò xo, có thể dẫn đến gãy hoặc biến dạng vĩnh viễn. Tuy nhiên, xoắn thanh thay vì uốn cong sẽ phân tán ứng suất đều hơn trên bề mặt của lò xo. Điều này có nghĩa là nó có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn mà không bị hư hại.

Peter Gumbsch, Giáo sư Cơ học Vật liệu tại Viện Vật liệu Ứng dụng (IAM) của KIT, giải thích: Khó khăn là phải kết hợp các đặc tính xung đột: độ cứng cao, độ bền cao và độ biến dạng lớn có thể phục hồi.

Bằng cách sắp xếp cẩn thận những thanh xoắn thành một mạng lưới có cấu trúc, các nhà khoa học đã tạo ra một vật liệu có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống, trong khi vẫn giữ được độ bền và cứng.

Thiết kế vật liệu có độ đàn hồi tối đa

Gumbsch và nhóm của ông, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc và Hoa Kỳ, đã thành công trong việc chuyển đổi khái niệm này thành một siêu vật liệu chức năng.

Gumbsch cho biết: “Lúc đầu, chúng tôi phát hiện ra cơ chế lưu trữ một lượng năng lượng lớn trong một thanh tròn đơn giản mà không làm gãy hoặc biến dạng thanh vĩnh viễn. Bằng cách xác định cách sắp xếp thông minh các thanh, chúng tôi đã tích hợp cơ chế này vào một siêu vật liệu”.

Bằng cách căn chỉnh các thanh theo cách chính xác, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một vật liệu có thể kéo dài hoặc nén lại nhưng vẫn trở về hình dạng ban đầu. Mô phỏng máy tính dự đoán, siêu vật liệu này sẽ có độ cứng cao và có thể chịu được lực lớn.

Các thử nghiệm đã xác nhận, khả năng lưu trữ năng lượng hay enthalpy của vật liệu này lớn hơn từ 2 đến 160 lần so với các siêu vật liệu khác từng ứng dụng.

Ứng dụng tương lai trong robot và lưu trữ năng lượng

Những ứng dụng tiềm năng cho loại vật liệu mới này là rất lớn. "Các siêu vật liệu mới của chúng tôi với khả năng lưu trữ năng lượng đàn hồi cao, có tiềm năng sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong tương lai, nơi cần cả khả năng lưu trữ năng lượng hiệu quả và các đặc tính cơ học đặc biệt", Gumbsch cho biết.

Theo đó, Robot có thể trở nên linh hoạt và bền bỉ hơn, nhờ khả năng co giãn và phục hồi mà không bị đứt của vật liệu; Máy móc tiết kiệm năng lượng có thể lưu trữ và giải phóng năng lượng hiệu quả hơn, cải thiện hiệu suất tổng thể.

Một khả năng khác là sử dụng cơ chế xoắn bên trong siêu vật liệu để tạo ra các khớp hoàn toàn đàn hồi, loại bỏ nhu cầu sử dụng bản lề truyền thống và cải thiện chuyển động ở các chi robot và bộ xương ngoài có thể đeo được.

Với những tiến bộ này, siêu vật liệu cơ học có thể mở đường cho công nghệ mạnh hơn, hiệu quả và bền bỉ hơn.