Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản vừa chế tạo một bộ cảm biến nhỏ xíu có thể đo những chênh lệch áp suất trên cánh bướm, giúp hiểu rõ hơn cơ chế động lực học của chuyển động bay của côn trùng. Đội khoa học hi vọng nghiên cứu những áp suất khác nhau tác dụng lên cánh trong lúc cất cánh, cái chưa từng được đo trước đây. Nghiên cứu sẽ giúp xây dựng những rô bôt bay cỡ côn trùng hoặc để phát triển cánh nhân tạo.
Những cử động có vẻ như không thể mà côn trùng có thể thực hiện trong lúc bay – ví dụ như đang lượn thì đột ngột đổi hướng, cử động rất khó đối với chim chóc – đã khiến các nhà nghiên cứu quan tâm từ lâu. Trong số nhiều loài côn trùng có cánh, thì bươm bướm, đặc biệt là họ bướm Papilionidae (thường gọi là bướm đuôi nhạn) có một cấu trúc cánh độc đáo cho phép chúng bay lên theo đường zigzánh sáng, với tần số đập cánh thấp. Hidetoshi Takahashi ở trường Đại học Tokyo, tác giả đứng đầu nhóm nghiên cứu trên, cho biết, theo khí động lực học thông thường, lực ước tính do một cánh côn trùng đang đập tạo ra sẽ không đủ để nâng trọng lượng cơ thể của nó. Điều này có nghĩa là lực khí động lực học thực sự của cánh côn trùng vượt quá giá trị quan sát thấy theo khí động lực học chuyển động đều – theo đó có những lực phân bố đồng đều tác dụng trên khắp một bề mặt – nên có khả năng có một số “hiện tượng khí động lực học không đều” nào đó đang diễn ra. Đó là lí do khiến nhiều nhà nghiên cứu cố gắng tìm hiểu cơ chế ẩn sau lực không đều này, Takahashi cho biết.
Ảnh phía trên là một trong những con bướm có bộ cảm biến và dây dẫn bằng vàng gắn với mặt bụng cánh của nó. Ảnh dưới bên trái là cận cảnh của bộ cảm biến và điện cực, còn ảnh dưới bên phải cho thấy chi tiết bộ cảm biến. (Ảnh: Takahashi et al./Bioinspir. Biomim.)
>> Xem thêm: Côn trùng bay như thế nào?
Khí động lực học không đều
Để hiểu rõ thêm về những hiện tượng không đều này, đội khoa học đã cố gắng đo phân bố vi phân áp suất – cái gây ra lực khí động lực học – trên cánh của một con côn trùng. Nghiên cứu có hai mục tiêu chính – trước tiên là phát triển một bộ cảm biến áp suất vi phân hệ vi cơ điện (MEMS) đủ nhẹ để cho con bướm có thể bay, đồng thời có độ nhạy cao để phát hiện ra những chênh lệch áp suất nhỏ. Thứ hai là đo lực tác dụng trên cánh, chủ yếu là lúc bay lên, vì lực khí động lực học thực sự tạo ra bởi cánh côn trùng thật trong lúc bay tự do chưa từng được đo trực tiếp. “Nghiên cứu trước đây đã đặt ra các điều kiện ràng buộc, vĩ mô, sử dụng cánh rô bôt. Cách này khó bắt chước tương tác thực sự của các lực khí động lực học với chuyển động cơ thể và biến dạng cánh của côn trùng,” Takahashi giải thích.
Bộ cảm biến nhỏ xíu
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một cần áp trở kích cỡ 125 µm × 100 µm × 0.3 µm. Áp suất vi phân giữa mặt trên và mặt dưới của cần làm cho nó uống cong và sự biến dạng này, hóa ra, tạo ra một sự biến thiên điện trở ở bộ cảm biến. “Độ phân giải của áp suất vi phân là 0,02 Pa từ - 20 Pa lên 20 Pa. Đồng thời, cấu trúc rất đơn giản nên chip cảm biến có thể dễ dàng chế tạo thu nhỏ,” Takahashi nói.
Sau đó bộ cảm biến được gắn lên cánh bướm và công suất được đo qua một điện cực đồng polymide và các dây dẫn bằng vàng. Tổng trọng lượng của bộ gắn, bao gồm cả chip cảm biến, điện cực và dây nối là 35 mg – nhẹ hơn lượng thức ăn mà con bướm tiêu hóa tại một thời điểm cho trước, nó chừng khoảng 100 mg.
“Chúng tôi đã đo phân bố vi phân áp suất của bốn điểm trên cánh của tám con bướm lúc bay lên. Những phép đo của chúng tôi cho thấy áp suất vi phân tăng giảm điều hòa và đối xứng phù hợp với chuyển động của cánh. Độ lớn của áp suất vi phân tăng khi vị trí dịch từ gốc cánh lên đầu cánh lúc bay lên,” Takahashi giải thích. Các nhà nghiên cứu còn tìm thấy áp suất tức thời tại mút cánh đạt tới cực đại 10 Pa, lớn gấp mười lần tải trọng cánh của con bướm.
Đội nghiên cứu cho biết việc tìm hiểu những lực khí động lực học biến thiên tác dụng lên côn trùng đang bay bằng phương pháp đo trực tiếp này có thể giúp phát triển các thiết bị bay nhân tạo cỡ bằng con côn trùng trong tương lai. Những con côn trùng rô bôt như thế có thể được chế tạo chuyên dụng để đưa vào làm việc trong những khu vực nguy hiểm, bị cẩm, ví dụ như nơi xảy ra thảm họa, để cung cấp thông tin hiện trường. Đồng thời, các nghiên cứu như thế còn có thể giúp chế tạo cánh nhân tạo cho các thí nghiệm khí động lực học hay các hệ điều khiển bay trực tiếp.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Bioinspir. Biomim. 7 036020.
Hoài Ân – Thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
