Mai Nhung
Writer
Khắc phục điểm yếu của các robot lai phải hạ cánh rồi mới chuyển đổi, ATMO (Aerially Transforming Morphobot) có khả năng thay đổi cấu hình từ drone thành xe bánh lốp ngay giữa không trung, giúp hạ cánh mượt mà và di chuyển linh hoạt trên mặt đất nhờ thuật toán điều khiển tiên tiến.
Chiếc Drone với khả năng biến hình thành xe 4 bánh đến từ các kỹ sư tại Viện Công nghệ California (Caltech), Hoa Kỳ
ATMO: Bước tiến hóa của robot lai "biết bay, biết chạy"
Trong thế giới robot hiện đại, khả năng vừa bay lượn trên không như một chiếc drone, vừa di chuyển linh hoạt trên mặt đất như một phương tiện bánh lốp không còn là điều quá xa lạ. Tuy nhiên, phần lớn những cỗ máy lai này đều có một hạn chế cố hữu: chúng phải hạ cánh xuống mặt đất rồi mới có thể thực hiện quá trình chuyển đổi hình dạng. Thao tác tưởng chừng đơn giản này lại có thể trở thành một điểm yếu chí mạng khi robot phải hoạt động ở những địa hình không thuận lợi. Một cú tiếp đất lệch góc hay một "đường băng" gồ ghề, không bằng phẳng cũng đủ khiến robot bị kẹt cứng, dẫn đến thất bại trong nhiệm vụ được giao.
Để khắc phục điểm yếu này, các kỹ sư tại Viện Công nghệ California (Caltech), Hoa Kỳ, đã mang đến một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực robot học: một robot thực tế có khả năng “biến hình” ngay trong không trung, không khác gì những robot Transformer trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. Thao tác chuyển đổi linh hoạt này giúp robot có thể hạ cánh một cách mượt mà và ngay lập tức tiếp tục hành trình trên mặt đất mà không cần phải tạm dừng hay thực hiện thêm bất kỳ thao tác chuyển đổi phức tạp nào.
Được đặt tên là ATMO (viết tắt của Aerially Transforming Morphobot, tạm dịch là Robot Biến hình Trên không), cỗ máy độc đáo này mang theo nhiều hứa hẹn cho tương lai của các lĩnh vực như giao hàng tự động và thám hiểm bằng robot ở những môi trường khó khăn.
Thiết kế thông minh: Khung động cơ biến thành bánh xe
ATMO sở hữu bốn động cơ đẩy mạnh mẽ giúp nó có thể bay lượn ổn định như một chiếc drone đa cánh quạt (quadcopter). Nhưng điều đặc biệt và mang tính đột phá nằm ở chỗ, phần khung bao quanh những động cơ này có khả năng biến thành các bánh xe khi ATMO chuẩn bị đáp xuống mặt đất hoặc cần di chuyển trên địa hình bằng phẳng. Toàn bộ quá trình chuyển đổi cấu hình phức tạp này chỉ cần một động cơ duy nhất để vận hành một khớp trung tâm. Các chuyên gia tại Caltech đã tạo ra một thiết kế vừa đơn giản về mặt cơ khí nhưng lại vô cùng tinh tế về mặt chức năng, mở đường cho những khả năng điều hướng và di chuyển linh hoạt chưa từng có trước đây.
Ông Ioannis Mandralis, một nghiên cứu sinh ngành hàng không tại Caltech và là tác giả chính của bài nghiên cứu về ATMO (được công bố trên tạp chí Communications Engineering), cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo một hệ thống robot mới lấy cảm hứng từ chính tự nhiên – từ cách các loài động vật sử dụng các bộ phận cơ thể của chúng theo những cách khác nhau để đạt được các dạng chuyển động khác nhau, ví dụ như chim vừa có thể bay vừa có thể đi bộ.”
Thách thức khí động học và thuật toán điều khiển tiên tiến
Tuy nhiên, bài toán kỹ thuật để ATMO có thể "biến hình" một cách mượt mà giữa không trung không hề đơn giản. Quá trình này kéo theo rất nhiều lực khí động học phức tạp, đặc biệt là khi robot đang bay ở gần mặt đất. Các luồng khí đẩy từ động cơ có thể phản hồi từ mặt đất, tạo thành những xoáy khí nguy hiểm, tương tự như vấn đề mà các máy bay trực thăng thường gặp phải khi hạ cánh quá nhanh hoặc trong điều kiện gió không ổn định.
Trong trường hợp của ATMO, thách thức còn lớn hơn nhiều: bốn động cơ đẩy của nó liên tục thay đổi hướng và cường độ trong quá trình biến hình, gây ra những nhiễu loạn khí động học khó lường. Để đối phó với những vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Caltech đã phải thực hiện hàng loạt các thử nghiệm phức tạp: từ việc đo lực đẩy trong các cấu hình biến hình khác nhau bằng các cảm biến lực chính xác, đến việc sử dụng khói để trực quan hóa các dòng chuyển động của không khí xung quanh robot.
Toàn bộ dữ liệu thu được từ các thử nghiệm này đã được tích hợp vào một thuật toán điều khiển tiên tiến có tên là Model Predictive Control (MPC). Đây là một phương pháp điều khiển dự báo hành vi của hệ thống trong một khoảng thời gian ngắn trong tương lai, từ đó liên tục tính toán và điều chỉnh các lệnh điều khiển để robot luôn di chuyển theo một đường đi tối ưu và ổn định nhất.
“Thuật toán điều khiển chính là sự đổi mới lớn nhất và quan trọng nhất trong nghiên cứu này,” ông Mandralis nhận định. “Các hệ thống 4 motor (như drone) thường sử dụng các bộ điều khiển riêng biệt do cách đặt động cơ và nguyên lý bay đặc thù của chúng. Nhưng ở đây, với ATMO, chúng tôi giới thiệu một hệ thống động lực học hoàn toàn mới. Ngay khi robot bắt đầu quá trình biến hình, bạn sẽ gặp phải các mối liên kết động học mới, đó là các lực tương tác phức tạp lẫn nhau giữa các bộ phận. Và hệ thống điều khiển phải có khả năng phản ứng cực kỳ nhanh chóng với tất cả những thay đổi đó để duy trì sự ổn định.”
ATMO và những công nghệ đi kèm hứa hẹn sẽ mang lại những thay đổi lớn cho các thế hệ robot biết bay trong tương lai, cả về cách chúng vận hành trên không lẫn những thuật toán phức tạp điều khiển chúng. Các nhà nghiên cứu tại Caltech mong muốn tạo ra một loạt các drone linh hoạt, có khả năng thích ứng cao với nhiều loại địa hình và nhiệm vụ khác nhau.
Chiếc Drone với khả năng biến hình thành xe 4 bánh đến từ các kỹ sư tại Viện Công nghệ California (Caltech), Hoa Kỳ
ATMO: Bước tiến hóa của robot lai "biết bay, biết chạy"
Trong thế giới robot hiện đại, khả năng vừa bay lượn trên không như một chiếc drone, vừa di chuyển linh hoạt trên mặt đất như một phương tiện bánh lốp không còn là điều quá xa lạ. Tuy nhiên, phần lớn những cỗ máy lai này đều có một hạn chế cố hữu: chúng phải hạ cánh xuống mặt đất rồi mới có thể thực hiện quá trình chuyển đổi hình dạng. Thao tác tưởng chừng đơn giản này lại có thể trở thành một điểm yếu chí mạng khi robot phải hoạt động ở những địa hình không thuận lợi. Một cú tiếp đất lệch góc hay một "đường băng" gồ ghề, không bằng phẳng cũng đủ khiến robot bị kẹt cứng, dẫn đến thất bại trong nhiệm vụ được giao.
Để khắc phục điểm yếu này, các kỹ sư tại Viện Công nghệ California (Caltech), Hoa Kỳ, đã mang đến một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực robot học: một robot thực tế có khả năng “biến hình” ngay trong không trung, không khác gì những robot Transformer trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. Thao tác chuyển đổi linh hoạt này giúp robot có thể hạ cánh một cách mượt mà và ngay lập tức tiếp tục hành trình trên mặt đất mà không cần phải tạm dừng hay thực hiện thêm bất kỳ thao tác chuyển đổi phức tạp nào.
Được đặt tên là ATMO (viết tắt của Aerially Transforming Morphobot, tạm dịch là Robot Biến hình Trên không), cỗ máy độc đáo này mang theo nhiều hứa hẹn cho tương lai của các lĩnh vực như giao hàng tự động và thám hiểm bằng robot ở những môi trường khó khăn.
Thiết kế thông minh: Khung động cơ biến thành bánh xe
ATMO sở hữu bốn động cơ đẩy mạnh mẽ giúp nó có thể bay lượn ổn định như một chiếc drone đa cánh quạt (quadcopter). Nhưng điều đặc biệt và mang tính đột phá nằm ở chỗ, phần khung bao quanh những động cơ này có khả năng biến thành các bánh xe khi ATMO chuẩn bị đáp xuống mặt đất hoặc cần di chuyển trên địa hình bằng phẳng. Toàn bộ quá trình chuyển đổi cấu hình phức tạp này chỉ cần một động cơ duy nhất để vận hành một khớp trung tâm. Các chuyên gia tại Caltech đã tạo ra một thiết kế vừa đơn giản về mặt cơ khí nhưng lại vô cùng tinh tế về mặt chức năng, mở đường cho những khả năng điều hướng và di chuyển linh hoạt chưa từng có trước đây.
Ông Ioannis Mandralis, một nghiên cứu sinh ngành hàng không tại Caltech và là tác giả chính của bài nghiên cứu về ATMO (được công bố trên tạp chí Communications Engineering), cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo một hệ thống robot mới lấy cảm hứng từ chính tự nhiên – từ cách các loài động vật sử dụng các bộ phận cơ thể của chúng theo những cách khác nhau để đạt được các dạng chuyển động khác nhau, ví dụ như chim vừa có thể bay vừa có thể đi bộ.”
Thách thức khí động học và thuật toán điều khiển tiên tiến
Tuy nhiên, bài toán kỹ thuật để ATMO có thể "biến hình" một cách mượt mà giữa không trung không hề đơn giản. Quá trình này kéo theo rất nhiều lực khí động học phức tạp, đặc biệt là khi robot đang bay ở gần mặt đất. Các luồng khí đẩy từ động cơ có thể phản hồi từ mặt đất, tạo thành những xoáy khí nguy hiểm, tương tự như vấn đề mà các máy bay trực thăng thường gặp phải khi hạ cánh quá nhanh hoặc trong điều kiện gió không ổn định.
Trong trường hợp của ATMO, thách thức còn lớn hơn nhiều: bốn động cơ đẩy của nó liên tục thay đổi hướng và cường độ trong quá trình biến hình, gây ra những nhiễu loạn khí động học khó lường. Để đối phó với những vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Caltech đã phải thực hiện hàng loạt các thử nghiệm phức tạp: từ việc đo lực đẩy trong các cấu hình biến hình khác nhau bằng các cảm biến lực chính xác, đến việc sử dụng khói để trực quan hóa các dòng chuyển động của không khí xung quanh robot.
Toàn bộ dữ liệu thu được từ các thử nghiệm này đã được tích hợp vào một thuật toán điều khiển tiên tiến có tên là Model Predictive Control (MPC). Đây là một phương pháp điều khiển dự báo hành vi của hệ thống trong một khoảng thời gian ngắn trong tương lai, từ đó liên tục tính toán và điều chỉnh các lệnh điều khiển để robot luôn di chuyển theo một đường đi tối ưu và ổn định nhất.
“Thuật toán điều khiển chính là sự đổi mới lớn nhất và quan trọng nhất trong nghiên cứu này,” ông Mandralis nhận định. “Các hệ thống 4 motor (như drone) thường sử dụng các bộ điều khiển riêng biệt do cách đặt động cơ và nguyên lý bay đặc thù của chúng. Nhưng ở đây, với ATMO, chúng tôi giới thiệu một hệ thống động lực học hoàn toàn mới. Ngay khi robot bắt đầu quá trình biến hình, bạn sẽ gặp phải các mối liên kết động học mới, đó là các lực tương tác phức tạp lẫn nhau giữa các bộ phận. Và hệ thống điều khiển phải có khả năng phản ứng cực kỳ nhanh chóng với tất cả những thay đổi đó để duy trì sự ổn định.”
ATMO và những công nghệ đi kèm hứa hẹn sẽ mang lại những thay đổi lớn cho các thế hệ robot biết bay trong tương lai, cả về cách chúng vận hành trên không lẫn những thuật toán phức tạp điều khiển chúng. Các nhà nghiên cứu tại Caltech mong muốn tạo ra một loạt các drone linh hoạt, có khả năng thích ứng cao với nhiều loại địa hình và nhiệm vụ khác nhau.
