Ngành chế tạo robot từ lâu đã tìm kiếm nguồn cảm hứng từ thế giới tự nhiên để định hình thiết kế và chuyển động cho các cỗ máy. Những thiết bị hình người cố gắng mô phỏng tứ chi của chúng ta, các cỗ máy bốn chân vay mượn cấu trúc từ chó và ngựa, trong khi những máy thu thập thông tin siêu nhỏ lại lấy ý tưởng từ hệ thống di chuyển của côn trùng.
Mặc dù cách tiếp cận này đã mang lại những cỗ máy vô cùng ấn tượng như các sản phẩm tối tân từ Boston Dynamics hay Unitree, nó vẫn chứa đựng một sự thiên vị nhất định. Các kỹ sư thường bắt đầu quy trình bằng cách xác định xem thiết bị của họ nên giống loài động vật nào để phục vụ tốt nhất cho một mục đích cụ thể.
Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu tại đại học Duke đã dũng cảm đưa ra một góc nhìn hoàn toàn trái ngược. Họ đặt ra giả thuyết rằng liệu cấu trúc lý tưởng nhất có phải là hình thái cho phép cỗ máy hoạt động đồng đều và trơn tru theo mọi hướng hay không. Thành quả của tư duy đột phá này chính là nguyên mẫu Argus, một robot được đặt theo tên của nhân vật sở hữu trăm mắt uy quyền trong thần thoại Hy Lạp.
Cỗ máy kỳ lạ này hoàn toàn không có khuôn mặt, không có mặt trước hay mặt sau được phân định rõ ràng. Nó không di chuyển bằng cách sải bước như con người hay chạy nước kiệu. Thay vào đó, Argus vận hành như một quả cầu gai góc, tự đẩy bản thân về phía trước bằng hai mươi chiếc chân tuyến tính dẫn động bằng cáp, mỗi chân đều được trang bị hệ thống camera độ sâu ở các đầu.
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Jiaxun Liu thuộc phòng thí nghiệm robot tổng hợp của đại học Duke, đồng tác giả chính của công trình, chia sẻ rằng việc quan sát Argus di chuyển mang lại một trải nghiệm chưa từng có. Khả năng điều hướng trơn tru giữa các khu vực nhiều cây cối và địa hình gồ ghề, ngay cả khi đối mặt với những va chạm vật lý cực mạnh, đã chứng minh sự ưu việt của thiết kế độc đáo này.
Bí quyết đằng sau hiệu suất vận hành phi thường của Argus nằm ở một khái niệm cốt lõi gọi là tính đẳng hướng động. Nói một cách dễ hiểu, thông số này đo lường mức độ đồng đều mà một robot có thể gia tốc khối tâm của nó theo bất kỳ hướng nào. Nếu điểm tuyệt đối là 1, biểu thị sự đồng đều hoàn hảo, thì hầu hết các robot hiện đại như máy bay không người lái hay robot hình người đều chỉ đạt dưới mức 0,6.
Đáng kinh ngạc, Argus đã chạm ngưỡng xuất sắc với điểm số 0,91. Dù các nhà khoa học hoàn toàn có thể nâng cấp lên cấu trúc 40 chân để đạt điểm số cao hơn nữa, nguyên mẫu hiện tại vẫn là sự lựa chọn mang tính thực tiễn cao nhất nhằm giảm thiểu rủi ro kỹ thuật.
Theo ông Boyuan Chen, giám đốc phòng thí nghiệm robot tổng hợp của đại học Duke, khi cỗ máy có khả năng gia tốc hoàn hảo theo mọi hướng, ranh giới giữa tiến và lùi, trái và phải sẽ hoàn toàn bị xóa nhòa. Để đạt được hình dáng tối ưu đó, nhóm nghiên cứu đã phải miệt mài chạy hơn 1.500 cấu hình mô phỏng máy tính khác nhau.
Cấu trúc vật lý chiến thắng được tạo ra bằng cách sắp xếp hai mươi chân quanh một khung trung tâm mang hình dáng của một khối đa diện đều có mười hai mặt. Hình thái này cho phép các chân tỏa ra bên ngoài từ lõi, tương tự như những chiếc gai của một con nhím biển.
Trong quá trình tiến hành các bài kiểm tra thực địa, Argus đã dễ dàng lăn qua hàng loạt địa hình phức tạp như đường bê tông, thảm cỏ, rễ cây, cát lún và các bề mặt trơn trượt. Nó xử lý xuất sắc các chướng ngại vật cao khoảng năm inch và có thể tiếp tục hoạt động bền bỉ ngay cả khi bị vô hiệu hóa tới ba chân.
Đáng nể hơn, cỗ máy vẫn duy trì tốc độ ổn định trong khi chuyên chở một kiện hàng nặng mười pound ở một bên sườn. Nếu bị tác động lực mạnh, nó không bị lật ngã mà sẽ tự động vươn các chân ở phía đối diện để chống đỡ. Thậm chí, trong môi trường giả lập trọng lực yếu như trên Mặt Trăng, Argus có thể tận dụng một số chân để tì vào các bức tường song song và dùng các chân khác để tạo sức đẩy vươn lên trên.
Thiết kế hai mươi chân đa hướng không chỉ tạo ra lợi thế tuyệt đối về mặt di chuyển mà còn giúp cỗ máy tối ưu hóa năng lực quan sát. Hệ thống camera độ sâu liên tục thu thập dữ liệu để xây dựng một bản đồ không gian ba chiều hoàn chỉnh bất chấp tư thế xoay của robot.
Nhờ vậy, Argus có thể dễ dàng thao tác và đẩy một khối lập phương có kích thước một mét trong lúc lăn, một nhiệm vụ vô cùng nan giải đối với các thiết bị bị khóa cố định tầm nhìn ở mặt trước.
Dù gặt hái nhiều thành công ấn tượng, nhóm nghiên cứu cũng thẳng thắn nhìn nhận những giới hạn ở thời điểm hiện tại. Cỗ máy vẫn chưa sẵn sàng để tham gia vào các chiến dịch cứu hộ thảm họa hay thám hiểm không gian sâu. Các thử nghiệm trên thực tế cho thấy tỷ lệ thành công bị sụt giảm so với môi trường giả lập, nguyên nhân chủ yếu đến từ việc hệ thống camera thời gian bay dễ bị quá tải nhiệt và mất đồng bộ dữ liệu.
Thêm vào đó, cấu trúc đa chân cũng kéo theo việc gia tăng số lượng cơ cấu chấp hành, làm tăng trọng lượng và xác suất phát sinh lỗi kỹ thuật.
Tuy nhiên, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Boxi Xia khẳng định rằng sự ra đời của Argus chính là minh chứng rõ ràng nhất cho việc thiết kế dựa trên đối xứng động học không chỉ dừng lại ở một lý thuyết suông.
Khi thế hệ robot tương lai phải rời khỏi không gian an toàn của các phòng thí nghiệm để tiến vào những môi trường khắc nghiệt như mỏ quặng, tòa nhà sụp đổ hay bề mặt của các hành tinh khác, chúng sẽ không có thời gian để tìm hướng nhìn lý tưởng nhất. Ở những khoảnh khắc đó, cỗ máy chỉ đơn thuần là cần hành động. Báo cáo chi tiết về nguyên mẫu này hiện đã được công bố chính thức trên tạp chí khoa học uy tín Science Robotics.
Tham khảo: ZME
Đức Khương
