Tìm thấy 2 mục
Nhiều người nói rằng, độ chặt của dây giày đến từ cách mà chúng ta buộc nó. Và thực tế chứng minh rằng khi buộc càng nhiều nút, dây giày càng dễ tuột, tuy nhiên, không phải ai cũng hiểu được tại sao lại như vậy.
Mới đây, một bài báo khoa học trên tạp chí #Physical-Review-Letters đã làm sáng tỏ phần nào bí ẩn bị lãng quên này.
Tưởng chừng như một lời nói đùa nhưng thực sự các nút buộc là một mảng nghiên cứu trọng tâm của toán học trừu tượng. Đến nay, các mô hình đặc tính vật lý của chúng trong thực tế vẫn rất khó để diễn tả, kể cả với mô phỏng máy tính.
Không phải ai cũng hiểu được sự phức tạp phía sau nút thắt dây giày.
#Khalid-Jawed, một nhà nghiên cứu cơ khí đến từ #MIT cho biết: “Nếu bạn lấy một sợi dây, thắt nút nó và bắt đầu nghiên cứu hình dạng của nút thắt bằng mắt thường, tưởng chừng đơn giản nhưng đó là một việc cực kì phức tạp”.
Mỗi một cách thắt nút sản sinh một loạt các lực tương tác với nhau. Và khi trở thành một mô hình toán học, các nhà nghiên cứu phải liệt kê hàng chục các biến số như độ xoắn, sức căng, ma sát, độ cứng của sợi dây... Và rồi thì bài toán sẽ phải được áp dụng cho dây thừng, dây giày, dây tai nghe, nylon, sợi phẫu thuật thậm chí protein và DNA. Giờ thì một nút thắt đơn giản cũng sẽ trở nên phức tạp.
Trở lại những năm 2008, Basil Audoly, một nhà toán học người Pháp đến từ Đại học #Sorbonne, Paris nói rằng ông có thể giải được bài toán này. Lời giải của #Audoly làm việc tương đối tốt với các nút đơn giản từ 1 đến 2 lượt thắt.
Tuy nhiên sau đó, #Jawed và các đồng nghiệp tại MIT quyết định kiểm tra lại lý thuyết của Audoly. Họ thực hiện một số thí nghiệm với số nút tăng lên và sử dụng dây niken titan. Các cánh tay máy được sử dụng để thắt nút dây đồng thời, lực thắt cũng được đo sau mỗi vòng lặp lại. Kết quả chỉ ra rằng độ lớn của lực cần thiết để siết chặt dây thay đổi mạnh sau mỗi lượt thắt nút tăng lên.
Tưởng chừng là mọt nút thắt đơn giản nhưng nó cũng rất phức tạp với toán học.
Thông thường, đa số chúng ta nghĩ rằng khi thắt nút đến lượt thứ hai, thứ ba, ta chỉ cần sử dụng thêm một chút lực so với lần trước đó. Tuy nhiên, kết quả của các nhà nghiên cứu tại MIT chỉ ra rằng để thắt chặt nút thứ 2, bạn cần một lực gấp 4 đến 8 lần so với nút thứ nhất. Các tính toán chỉ ra rằng đến một nút thắt phức tạp, bạn phải tiêu tốn một lực gấp 1000 lần so với nút ban đầu.
“Điều này rất dễ nhận ra với chiếc dây tai nghe của bạn”, Jawed nói. “Bạn thắt một chiếc nút và kéo nó, có vẻ dễ dàng để nó chặt lại. Vòng dây sẽ nhỏ lại ngay lập tức. Nhưng khi thực hiện đến lượt thứ 5 hoặc thứ 6, mọi chuyện bắt đầu khó khăn. Vòng dây sẽ bung ra và cho đến một lúc nào đó thậm chí bạn không thể thắt nó lại nữa”.
Vậy điều gì đã làm nên sự kì lạ này? Trong tất cả các biến số, ma sát là yếu tố quyết định nhất. Đối với một nút thắt đơn giản, độ cứng của vật liệu là biến số ảnh hưởng lớn, ma sát là không đáng kể và có thể bỏ qua. Tuy nhiên, khi số lượng tăng lên đến 3 hoặc 4 lượt thắt, “bạn đang tăng diện tích tiếp xúc trong cái khu vực lộn xộn rối tung của các nút thắt, ma sát lúc này rất quan trọng”.
Nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại MIT đã thu hút được tác giả cũ của lời giải. #Audoly cũng gia nhập nhóm nghiên cứu để phát triển một lý thuyết tốt hơn có thể giải thích cặn kẽ điều bí mật của những nút thắt. Họ đã đưa ra một phương trình mô tả chính xác các lực khác nhau có mặt trong một nút thắt làm việc như thế nào dựa trên ma sát, sức căng và độ cứng của dây.
Các phân tử xoắn phức tạp trong sinh và hóa học.
Phương trình đã thể hiện sức mạnh của nó trong việc tiên đoán lực cần thiết áp dụng cho một số nút thắt với điều kiện nhất định. Tuy nhiên, nó cũng chưa thể hoàn thành một lý thuyết thống nhất để áp dụng cho mọi trường hợp. Mặc dù vậy, các nhà nghiên cứu nói rằng đây sẽ là một điểm khởi đầu tuyệt vời. Trong tương lai, họ sẽ có thể mở rộng lý thuyết của mình hơn nữa khi sử dụng trình mô phỏng bằng máy tính.
Có thể thấy rằng, chỉ một nút thắt cũng khiến nhân loại phải vất vả đến chừng nào. Tuy nhiên, một khi bài toán được giải quyết, nó sẽ là tiền đề cho các công nghệ tinh vi, ví dụ như phẫu thuật và khâu vết thương bằng #robot, giảm xóc tinh chỉnh và thậm chí là việc nghiên cứu sự bóc tách phức tạp của các sợi trong quá trình phân bào.
Nguồn: #khoahoc.tv
Robot báo chạy 38 km/h, robot có cánh liệng được như chim ruồi, thiết bị nhìn xuyên tường, công nghệ màn hình của Qualcomms,... chỉ là một vài trong số rất nhiều phát minh KHCN mà con người lấy cảm hứng từ thiên nhiên.
Bài viết bên dưới đây sẽ liệt kê thêm 13 phát minh mang tính đột phá được con người vay mượn từ thiên nhiên - "nguồn cảm hứng sáng tác vô tận" cho các nhà khoa học.
Công nghệ mô phỏng tự nhiên (#Biomimicry) là một lĩnh vực khoa học, tiến hành các hoạt động nghiên cứu và phát triển dựa vào thiên nhiên để tìm ra giải pháp, sản phẩm giúp ích cho con người. Cho tới hiện tại, vô số những tiến bộ khoa học công nghệ do con người đạt được là nhờ lấy cảm hứng từ tự nhiên.
1. Robot báo đốm
Nếu thường xuyên theo dõi tin tức về #robot thì có lẽ cái tên Boston Dynamics không phải là quá xa lạ với các bạn. Đây là hãng công nghệ robot nổi tiếng với những con robot mô phỏng động vật và cả robot nhân dạng nữa. Một trong những sản phẩm thành cong của họ là robot 4 chân BigDog. Có thể bạn cho rằng việc đứng bằng 4 chân thì quá dễ, bước đi được cũng chưa hấp dẫn lắm nhưng khoan đã, điểm thành công của #BigDog chính là tốc độ chạy.
Khả năng bước đi của nó được vay mượn từ loài báo đốm (một trong những động vật có tốc độ chạy nhanh nhất hành tinh), giúp nó có thể đạt vận tốc chạy kỷ lục 38 km/h trong thử nghiệm hồi năm 2012. Từ đó đến nay, các nhà nghiên cứu liên tục cải tiến nhằm tăng cường tốc độ chạy của nó, đồng thời còn có thể bật nhảy qua các chướng ngại vật khi đang chạy.
2. Robot bọ 6 chân
Hãng công nghệ Takram Design Engineering đã phát triển robot mang tên #Phasma lấy cảm hứng từ những loài côn trùng 6 chân. Không lâu sau đó thì Đại học Stanford cũng phát triển con robot tương tự, cũng 6 chân nhưng đặt tên là #iSpaw. Để giúp con robot có thể di chuyển bằng 6 chân, các kỹ sư đã áp dụng kỹ thuật gọi là #alternating tripod gate (tạm dịch là bộ 3 chân di chuyển đan xen).
Như các bạn có thể thấy trong đoạn video giới thiệu, Phasma có thể bước đi bằng 6 chân, có thể xoay chuyển, đổi hướng một cách dễ dàng giống như một con bọ thật sự vậy. Cấu trúc hoạt động cũng khá là đơn giản, 1 động cơ cung cấp động năng cho toàn bộ 6 chiếc chân bên dưới.
3. Bay như loài ong
Ngay từ thuở xưa, khái niệm bay lượn trên bầu trời của con người được hình thành từ loài động vật biết bay. Gần đây, các nhà khoa học tại #Harvard đã khởi động dự án #RoboBee nhằm nghiên cứu cơ chế và hành vi bay lượn một cách nhẹ nhàng của loài ong. Mục đích cuối cùng của dự án là tạo nên những con robot #drone cỡ nhỏ, có thể di chuyển một cách nhẹ nhàng, ổn định trên không nhằm thực hiện cảm nhiệm vụ đặc biệt.
4. Robot chim ruồi
AeroVironment (một nhà thầu của Cục các dự án phòng thủ tiên tiến #DARPA, Hoa Kỳ) đã phát triển nên phương tiện bay siêu nhỏ mang tên Nano Air Vehcle (NAV) lấy cảm hứng từ loài chim ruồi. Mang hình dáng như một con chim ruồi thật sự, NAV cũng bay liệng trên bầu trời bằng cặp cánh cơ khí của nó. Hãy xem đoạn video, bạn sẽ thấy nó tuyệt vời như thế nào khi có thể mô phỏng lại các động tác như loài chim thật sự: đập cánh bay, liệng ổn định giữa không trung, bay với nhiều tốc độ khác nhau từ nhanh đến chậm và tất nhiên là ghi hình truyền về người điều khiển trong quá trình bay.
5. Camera góc nhìn 180 độ lấy cảm hứng từ mắt côn trùng
Loài côn trùng được thiên nhiên ưu ái ban tặng cho một đôi mắt với thiết kế hết sức độc đáo. Và các nhà nghiên cứu tại Đại học #Illinios, Hoa Kỳ đã dựa vào đó để phát triển công nghệ camera kỹ thuật số hoàn toàn mới. Giống như hệ thống thị giác của loài ong hoặc bọ ngựa, hệ thống camera này được tạo nên từ chuỗi các #diode quang, mỗi cái có nhiệm vụ như một ống kính #microlens bố trí trên một bán cầu nhằm ghi lại hình ảnh với góc nhìn 180 độ và độ sâu trường ảnh gần như là vô cực.
6. Máy soi cầm tay lấy cảm hứng từ mắt tôm hùm
Thiết bị kiểm soát bằng tia X lấy cảm hứng từ mắt tôm hùm (LEXID) là thêm một sản phẩm nữa do các nhà khoa học vay mượn từ thiên nhiên. Hệ thống này áp dụng khả năng quan sát môi trường xung quanh trong điều kiện tối đen dưới đáy đại dương của loài tôm hùm. Để làm được điều đó, tôm hùm sử dụng một lượng lớn các tế bào xếp thành một mảng hình cầu để bắt được tối đa lượng ánh sáng. Sau đó, ánh sáng sẽ được hội tụ lại thành hình ảnh.
Tương tự như vậy, LEXID cũng bao gồm hệ thống các máy tạo tia X xếp đều trên một bán cầu kết hợp hoạt động với nhiều cảm biến thông minh. Bằng cách này, #LEXID có thể ghi được hình ảnh xuyên qua cả bề mặt rắn. Mặc dù dự án chỉ mới trong giai đoạn nguyên mẫu thử nghiệm nhưng nó đã nhận được nguồn viện trợ 750.000 nghìn đô la vào năm 2005 từ Bộ nội vụ Mỹ nhằm phát triển hoàn chỉnh công nghệ này, hứa hẹn sẽ được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong quân sự, giúp binh lính có khả năng nhìn xuyên tường để phát hiện mục tiêu hoặc dùng như một thiết bị soi rọi hành lý trong sân bay.
7. Phương pháp trị ung thư từ loài sứa
Các nhà nghiên cứu tại Bệnh viện nữ Brigham thuộc Đại học Harvard đang nghiên cứu phương pháp xác định và bắt giữ những phân tử cụ thể nào đó lấy cảm hứng từ loài sứa biển. Bằng cách sử dụng một con chip siêu nhỏ trong trạng thái bán lỏng và mạng lưới các sợi DNA 3D,nhóm nghiên cứu có thể truy tìm và bắt giữ những tế bào ung thư trong máu của bệnh nhân. Đây hứa hẹn sẽ là một phương chữa trị ung thư hiệu quả trong tương lai.
8. Bề mặt vật liệu chống bám từ da cá mập
Trong quá trình tìm kiếm giải pháp giúp ngăn ngừa rong biển bám vào thân tàu chiến của hải quân Hoa Kỳ, tiến sĩ #Anthony-Brennan đã áp dụng cấu trúc da của loài cá mập. Cuối cùng ôg phát triển thành công một bề mặt vật liệu mang tên Sharklet SafeTouch, tạo nên từ vô số các khối nổi với kích thước khác nhau bố trí thành dạng hình thoi. Loại bề mặt vật liệu này không chỉ giúp tàu chiến không bị rong, tảo bám vào, mà còn được áp dụng trong y tế, nhằm tạo nên các thiết bị ngăn ngừa vi khuẩn tích tụ.
9. Robot đi trên mặt nước
Một số loài côn trùng nhỏ có khả năng di chuyển một cách dễ dàng trên mặt nước. Từ năm 2007 các nhà nghiên cứu tại Viên kỹ thuật phỏng sinh thuộc Đại học Harvard đã bắt đầu nghiên cứu cơ chế của khả năng này và tìm cách áp dụng. Gần đây, họ đã phát triển nên một conrobot bọ que cỡ nhỏ với khả năng búng người trên mặt nước. Con robot này có thể tạo nên một lực gấp 16 lần trọng lượng của nó nhằm bật nhảy trên mặt nước mà không chìm xuống.
10. Sợi cáp quang lấy cảm hứng từ bọt biển
Bọt biển không chỉ là một trong những loài động vật độc đáo nhất đại dương mà nó còn truyền cảm hứng cho nhiều tiến bộ kỹ thuật. Khi áp dụng trong ngành khoa học vật liệu, các nhà khoa học sử dụng #silicat sinh học để tạo nên các bó sợi cáp quang với kích thước nhỏ hơn cả tóc người nhưng vô cùng bền. Thiết kế của sợi quang này có cấu trúc tương tự như bọt biển nên đảm bảo các đặc tính cực kỳ bền, chống xoắn gãy, hứa hẹn sẽ được sử dụng trong nhiều quy trình tổng hợp vật liệu hoặc xây dựng công trình trong tương lai.
11. Công nghệ màn hình từ bươm bướm
Bạn có biết hãng Qualcomm đã lấy cảm hứng từ cánh của loài bướmđể tạo nên công nghệ màn hình hiển thị Mirasol. Công nghệ này sử dụng công nghệ màn hình với bộ điều biến giao thoa (IMOD) với khả năng tiêu thụ điện năng rất thấp, sau đó kết hợp với hệ thống hiển vi cơ điện (MEMS) nhằm trình chiếu hình ảnh bằng cách phản xạ ánh sáng chứ không phải là phát ra như nhiều công nghệ màn hình khác. Cách làm này không chỉ cho hình ảnh sáng, độ tương phản cao,… mà còn giảm đáng kể điện năng tiêu thụ.
12. Kỹ thuật tàng hình ngụy trang
Mực là sinh vật có khả năng độc đáo: tự thay đổi kết cấu, điều chỉnh sắc tố trên da và hình dạng bên ngoài để ngụy trang lẫn vào môi trường xung quanh. Dựa vào đó, các nhà khoa học tại #Illinois đã sử dụng các cảm biến quang, bộ truyền động và những sắc tố nhạy sáng nhằm tạo nên thiết bị ngụy trang. Kỹ thuật này đang được tiếp tục hoàn thiện để áp dụng trong hải quân Hoa Kỳ.
Tương tự như vậy, các nhà nghiên cứu tại #MIT cũng đã tạo nên chiếc màn hình dày chỉ 1 micromet từ 2 lớp #poly-vinyl có khả năng thay đổi màu sắc nhờ sự tích điện.
13. Khả năng bám dính của tắc kè
Bạn còn nhớ cách đây không lâu NASA và MIT đã hợp tác cùng nhau để phát triển kỹ thuật bám dính lấy cảm hứng từ cấu trúc chân loài tắc kè, giúp các phi hành gia có thể giữ vị trí trong môi trường không trọng lực trên vũ trụ. Công nghệ này có rất nhiều ứng dụng khác nhau như dùng để bắt các mẩu rác thải trên quỹ đạo, giúp binh lính có thể leo tường trèo linh hoạt trên mọi bề mặt khác nhau
Nguồn: #Khoahoc.tv
|
|
|
