Côn trùng thường bị xếp là sinh vật gây hại. Muỗi hút máu người, ruồi gieo rắc vi trùng, châu chấu phá hoại mùa màng và gián làm chúng ta ghê tởm. Có lẽ đó là lý do tại sao các nhà khoa học hầu như thường tập trung vào việc làm thế nào để tiêu diệt chúng hơn là tìm hiểu về những cách thức hoạt động tinh vi của chúng. Làm thế nào mà một con ruồi có thể bay và đỗ với độ chính xác đến như vậy, một con ong nhớ được đường từ bông hoa đến tổ hay một con gián bò rất nhanh? Chỉ gần đây các nhà khoa học mới bắt đầu trả lời những câu hỏi đó. Và họ ngày càng nhận thấy côn trùng là những “siêu anh hùng” của hành tinh này, với những thuộc tính đặc biệt có thể làm xuất hiện một làn sóng tiến bộ mới của ngành rôbốt mô phỏng sinh học (Biomimetic Robotics).

Mô phỏng sinh học là một thuật ngữ được sử dụng để chỉ những hệ thống kỹ thuật áp dụng những đặc điểm được quan sát từ sinh học. Đây là một thuật ngữ tương đối mới, nhưng phương pháp vay mượn từ tự nhiên thì đã có từ lâu. Thậm chí những dụng cụ thời đồ đá sơ khai cũng đã mô phỏng những thuộc tính của động vật ví dụ như móng vuốt dùng để đào bới hoặc răng dùng để nhai thịt. Con người ngày càng quen với mô phỏng sinh học trong ngành rôbốt học, ít nhất là trong khoa học viễn tưởng. Trong các bộ phim Star War (Chiến tranh giữa các vì sao) cho tới Hitchhiker’s Guide to the Galaxy (Đường quá giang tới Thiên Hà), những con rôbốt thường thể hiện những đặc điểm riêng biệt của con người, vừa cả về thể chất lẫn tâm lý. Hầu hết, chúng ta muốn các con rôbốt thực hiện những nhiệm vụ mà loài người không muốn làm hoặc không thể làm, ví dụ như gỡ mìn hoặc thăm dò các hành tinh lạ. Điều này có nghĩa là con người có chiều hướng hình dung các con rôbốt giống như con người, thường là có chân, tay và có thể giải quyết các vấn đề. Nhưng giải quyết vấn đề, hay khả năng đánh giá những yếu tố của một vấn đề, đưa ra và đánh giá các giải pháp, là một kỹ năng rất khó để cài vào một cỗ máy. Thậm chí đến nay, sau nhiều thập kỷ phát triển, một con rôbốt “tư duy” phải rất cố gắng với nhiệm vụ đi xung quanh một hình khối lớn. Hạn chế này đã kìm hãm sự phát triển của các con rôbốt, những con rôbốt có thể thực sự thực hiện một số công việc ít thú vị hoặc nguy hiểm mà loài người hiện nay đang buộc phải làm. Hơn nữa, những phương tiện di chuyển thông thường của rôbốt, bằng bánh xe hoặc đơn giản là bằng các cặp chân, chuyển động tốt trên các bề mặt bằng phẳng trong phòng thí nghiệm nhưng thông thường là không hợp lý trên các địa thế gồ ghề.

Các nhà côn trùng học thường ngạc nhiên và khó hiểu về những nhiệm vụ khó khăn mà các con côn trùng có thể thực hiện được, mặc dù rõ ràng chúng không có nhiều trí tuệ. Chúng ta đều biết côn trùng là loài sinh vật có số lượng đông đúc đến như thế nào: có tới 4 triệu loài côn trùng trên hành tinh so với 4500 loài động vật có vú. Có lẽ tìm hiểu về chúng và sau đó bắt chước những thuộc tính của chúng, những thuộc tính được tinh luyện qua hàng triệu năm tiến hóa, chúng ta sẽ có thể nhanh chóng phát triển những con rôbốt, làm cho chúng có thể thực hiện những công việc mà chúng ta muốn không cần phải trang bị cho chúng những bộ não có kích thước lớn.

Những con côn trùng cũng có những lợi thế thiết thực. Chúng có rất nhiều và dễ dàng nuôi chúng trong phòng thí nghiệm và chúng có một bộ xương ngoài (một lớp vỏ cứng phủ ở bên ngoài) thay vì một bộ xương ở bên trong giống như con người, khiến cho việc nghiên cứu cách thức chuyển động của chúng tương đối đơn giản. Chúng cũng vô cùng đa dạng, có thể tận dụng các lợi thế của chúng cho các lĩnh vực ví dụ như chuyển động, định hướng và thị giác. Những tiến bộ gần đây của sự vi tiểu hình hóa, hay sự phát triển của các công nghệ làm tăng độ nhỏ của kích thước, hoàn toàn có thể chế tạo được các con rôbốt có kích thước của côn trùng.

Cách trốn lủi thông minh của gián

Trong số tất cả loài côn trùng, có lẽ loài gián là loài nổi tiếng nhất. Loài côn trùng này có thể chạy với tốc độ lên tới gấp 50 lần chiều dài cơ thể trên một giây (ít người có thể chạy nhanh hơn 5 hoặc 6 lần) và chạy trốn qua địa hình gồ ghề và đầy những vật cản cao hơn nó mà không bị lộn nhào. Trước đây, các nhà khoa học đã phát triển những con rôbôt có 6 chân, phần lớn là do thế đứng vững chắc của nó, nhưng không thể đạt được tốc độ chạy như vậy. Loài gián đã cho chúng ta thấy chúng có thể làm được như thế nào. Loài gián định hướng quãng đường để tối đa hóa tốc độ và cách thức di chuyển vững vàng của chúng và cho phép chúng chốn vào các khe hẹp. Những nghiên cứu chi tiết về chuyển động của chúng cũng cho thấy một số nguyên tắc thiết kế có thể áp dụng vào các con rôbốt mô phỏng sinh học. Chúng gồm dáng đứng vững chắc, đạt được thông qua một trọng tâm thấp tập trung ở phần phía sau của con vật và được hỗ trợ bởi các chân vững chắc và một chức năng chân nhún, trong đó các chân hoạt động chủ yếu như các bộ nhún hơn là sải, khiến cho con côn trùng tiến về phía trước.

Các kỹ sư rôbốt hiện nay đang nỗ lực để thiết kế ra các cỗ máy mô phỏng càng nhiều càng tốt cơ chế sinh học của loài gián. ý tưởng là với một hệ thống được thiết kế một cách tinh tế, sẽ cần ít tính năng tính toán, các con rôbốt sẽ không cần phải tốn thời gian để tính toán xem chúng thực hiện bước đi tiếp theo như thế nào để đảm bảo rằng chúng không bị ngã và cách thức này sẽ trở thành bản năng. Các nhà khoa học ở trường Đại học Stanford, Mỹ, vừa tạo ra một con rôbốt có tên là iSprawl có thể đáp ứng được một số nguyên tắc của cách chuyển động của gián. Một phiên bản iSprawl dài khoảng 11 centimét và có thể chuyển động vào khoảng 15 độ dài thân/giây.

Cách tìm đường của loài ong

Một vấn đề phức tạp đối với các con rôbốt là sự định hướng. Làm thế nào chúng có thể tìm được đường ở một nơi nào đó và sau đó quay trở lại mà không phải mất thời gian (và năng lượng của máy tính) để tư duy về điều đó? Một lần nữa, côn trùng có thể trả lời được cho câu hỏi này. Ví dụ, một con ong làm các nhà khoa học kinh ngạc bởi việc đi lang thang một cách không chủ đích tới nguồn có mật và sau đó quay trở lại tổ đôi khi cách tới vài kilomet, với một bộ não chứa chưa tới 1 triệu dây thần kinh. Một siêu máy tính (và thậm chí là một người) phải rất cố gắng mới thực hiện được việc đó. Các nhà khoa học Ôxtrâylia là những người đã thực hiện những nghiên cứu chi tiết về việc định hướng của loài ong. Họ nhận thấy các con ong sử dụng một số cách thức định hướng đường tìm hoa của chúng. Ví dụ, chúng sử dụng mặt trời làm một chiếc com pa để xác định hướng bay kể cả khi nó bị lấp sau một đám mây và chúng có thể tìm ra mặt trời trên bầu trời bằng cách sử dụng một chiếc đồng hồ sinh học bên trong cơ thể. Loài ong cũng có thể lưu trữ những thông tin đơn giản về những nơi mà chúng từng tới và nhớ lại chúng trên đường quay trở lại, tạo nên mối liên hệ giữa các ranh giới và lãnh thổ sinh sống của chúng với tổ của chúng. Và chúng sử dụng cái gọi là “dòng quang học” để đánh giá khoảng cách chuyến bay và xác định các địa phận bị giới hạn. Các kỹ sư về ngành rô bốt học rất quan tâm tới các cách thức này. Mô phỏng chúng để áp dụng vào các con rô bốt có thể làm giảm việc trang bị các thiết bị tiêu tốn năng lượng, tốn kém rất nhiều ví dụ như các hệ thông tin địa lý và các hệ thống định vị vệ tinh.

Cách bay của con ong nghệ

Chúng ta đều biết côn trùng là những viên phi công thông minh. Có lẽ không còn nghi ngờ gì nữa về một loài côn trùng, con ruồi, là loài nổi danh về những khả năng đặc biệt của chúng trong không trung. Nhưng đã có lần có một kỹ sư tính toán rằng một loài côn trùng (trong trường hợp này là loài ong nghệ) không thể bay nếu căn cứ theo những quy tắc trạng thái ổn định của hàng không học mà ông ta áp dụng. Một chiếc máy bay có cùng tỷ lệ cân xứng về trọng lượng và sải cánh với con ong nghệ tất nhiên sẽ chẳng bao giờ cất cánh khỏi mặt đất được. Lời giải cho bài toán về cách bay của côn trùng phải chờ có những tiến bộ của công nghệ, ví dụ như phương pháp chụp ảnh toàn cảnh nhanh có độ phân giải cao, cho phép có những nghiên cứu về các cánh nhỏ bé của một con côn trùng và chuyển động rất nhanh của chúng trong không trung. Nghiên cứu khám phá ra các con côn trùng sử dụng cách kết hợp 3 kỹ thuật khí động lực để bay và thực hiện các màn nhào lộn trên không đáng kinh ngạc của chúng. Một trong những màn đó được gọi là “chết máy chậm”. Các cánh của con côn trùng đập ở một góc rất hẹp, góc này có thể làm ngừng việc bay, ngoại trừ việc vỗ như vậy thì các cánh sẽ tạo ra một giòng gió xoáy mạnh. Giòng gió xoáy này sẽ sản sinh ra một khoảng trống có áp xuất thấp ở mặt đỉnh của chiếc cánh, vì vậy nâng chiếc cánh lên. Một kỹ thuật thứ hai được gọi là vòng tròn luân chuyển. Con côn trùng xoay tròn các cánh của nó ở phía cuối của mỗi một lần đập cánh, bao gồm cả khoảng trống có áp xuất thấp để tạo ra lực nâng bổ sung. Kỹ thuật thứ ba là lấy năng lượng tiếp theo của cú đập cánh trước đó

Những hiểu biết về cách bay của côn trùng có thể được sử dụng trong ngành rô bốt học theo các phương pháp khác nhau. Chúng có thể góp phần vào việc thiết kế ra những con rô bốt nhỏ, biết bay có thể thực hiện được những nhiệm vụ thông thường trong những hoàn cảnh nơi mà trọng tải lớn là không cần thiết, ví dụ như tìm kiếm và cứu nạn. Có thể sử dụng chúng trong việc thăm dò những hành tinh lạ, những nơi mà bầu khí quyển dày đặc sẽ không cho phép những con rôbốt lớn hơn sử dụng những cách thức bay giống như của loại nhỏ hơn. Bộ Quốc phòng Mỹ, cơ quan đang nghiên cứu về việc phát triển những con rôbốt biết bay như vậy, gọi chúng là “những cỗ xe trong không trung cực nhỏ” (MAVs). Cơ quan này đang xem xét những ứng dụng của chúng trong việc giám sát và do thám. Thực vậy, một phần lớn tài trợ cho những công trình kiểu này đều là của các cơ quan quốc phòng, vì vậy rất nhiều ứng dụng ban đầu sẽ dành cho quân đội trong tự nhiên, các ứng dụng dân sự sẽ tới sau.

Việc mô phỏng những đặc điểm sinh học của côn trùng vào ngành rô bốt học vẫn trong giai đoạn ban đầu và có rất ít ví dụ thực tiễn. Tuy vậy, tiềm năng của lĩnh vực này rất lớn. Các quá trình tiến hóa đang mài giũa các quà tặng của tự nhiên ban cho hàng triệu loài côn trùng trong hàng thiên niên kỷ và sẽ rất là ngạc nhiên nếu chúng ta không rút ra được gì từ chúng. Rất nhiều giải pháp áp dụng tự nhiên để giải quyết các vấn đề phực tạp lại hóa ra rất đơn giản, mặc dù ứng dụng chúng vào các mục tiêu của con người sẽ không dễ dàng.