Minh Nguyệt
Intern Writer
Các bạn có bao giờ tự hỏi làm thế nào mà những chú dơi bé nhỏ lại có thể bay lượn thoăn thoắt trong đêm tối, săn mồi tài tình đến vậy không? Mới đây, một nhóm các nhà khoa học và kỹ sư đã bắt tay nhau tạo ra một chú dơi robot, không chỉ để ngắm mà còn để giúp chúng ta giải mã bí ẩn về cách dơi thật sử dụng khả năng định vị bằng tiếng vang (echolocation) để tìm kiếm thức ăn. Bằng cách mô phỏng đường bay của dơi và khả năng định vị của chúng, nhóm nghiên cứu đã làm sáng tỏ cách dơi có thể nhanh chóng xác định xem con mồi có đang đậu trên một chiếc lá hay không. Những khám phá thú vị này vừa được công bố chi tiết trên tạp chí Journal of Experimental Biology đấy.
Đứng đầu nghiên cứu này có một phần đóng góp không nhỏ của nhà khoa học về dơi, Inga Geipel, cộng tác viên nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Nhiệt đới Smithsonian. Điều đặc biệt là hiệu suất của chú dơi robot này đã phần lớn xác nhận giả thuyết của cô Geipel về dơi thật. Dù đã dự đoán trước kết quả, cô vẫn cảm thấy vô cùng hài lòng, không phải vì bản thân mà vì những "người bạn" có lông của mình. Cô Geipel chia sẻ với Popular Science rằng: "Mình luôn là 'Team Dơi'. Chúng luôn đánh lừa mình, luôn thông minh hơn mình."
Nói một chút về định vị bằng tiếng vang cho những ai chưa rõ nhé. Dơi sử dụng khả năng này để tìm đường và săn mồi. Những loài động vật có cánh này phát ra các tiếng kêu click nhanh từ miệng, sau đó lắng nghe tiếng vang khi âm thanh dội lại từ các vật thể xung quanh, bao gồm cả những bữa ăn tiềm năng. Bằng cách phân tích thời gian và cường độ của những tiếng vang trở lại, dơi có thể xây dựng một bức tranh âm thanh chi tiết về môi trường xung quanh.
Quá trình nhận thức dựa trên sóng siêu âm này có phần giống với cách các phương tiện tự lái sử dụng cảm biến LiDAR để tạo ra một bản đồ nhỏ về thế giới xung quanh chúng ta. Tuy nhiên, trong khi ô tô tự lái cần hàng chục camera và cảm biến hoạt động đồng bộ, dơi lại hoàn thành nhiệm vụ tương tự một cách trực quan, chỉ với hai tai và một cái miệng.
Mặc dù các nhà khoa học đã biết dơi sử dụng định vị bằng tiếng vang từ lâu, nhưng vẫn chưa rõ chính xác cách chúng vận dụng nó trong thế giới thực, đặc biệt là trong những khu rừng rậm rạp, nơi có vô số chiếc lá trống rỗng cạnh tranh sự chú ý của một chú dơi đói bụng.
Để "bay vào thế giới của dơi", nhóm nghiên cứu đã dựa trên gần 20 năm nghiên cứu của cô Geipel. Cô kể rằng niềm đam mê của mình bắt đầu khi cô thoáng thấy một trong những loài động vật có cánh này khéo léo bay lượn trong bầu trời đêm không ánh sáng. Là một người yêu âm nhạc và âm thanh suốt đời, cô Geipel bị cuốn hút bởi ý tưởng rằng những sinh vật này có thể sử dụng các giác quan đó để "nhìn" theo những cách mà con người không thể hiểu được. Cô hy vọng công việc tương lai của mình sẽ làm sáng tỏ phần nào sự "tăm tối" về mặt trí tuệ đó. Cô Geipel nói: "Nhìn thế giới qua âm thanh là một hệ thống giác quan xa lạ với chúng ta. Mình thấy thật sự rất hấp dẫn khi dơi có thể bay trong bóng tối hoàn toàn."
Nghiên cứu về dơi robot mới này có thể coi là một "phần tiếp theo" tinh thần cho nghiên cứu tiến sĩ của cô Geipel về cách dơi kiếm ăn. Công trình trước đó của cô đã chỉ ra rằng dơi tai lớn (Micronycteris microtis) ban đầu tiếp cận lá cây ở một góc cụ thể để tiếng click siêu âm của chúng phản xạ từ những chiếc lá rừng nhẵn nhụi như một tấm gương định vị. Những chiếc lá có vật thể trên đó, chẳng hạn như côn trùng, sẽ làm tán xạ sóng siêu âm, dẫn đến việc dơi nhận được xung phản hồi mạnh hơn. Từ góc nhìn của dơi, tiếng vang mạnh hơn có thể đồng nghĩa với một bữa trưa ngon lành.
Tuy nhiên, dù lý thuyết cơ bản đó có vẻ hợp lý một cách trực quan, nó cũng đặt ra một vấn đề thực tế. Để hệ thống được đề xuất hoạt động, dơi dường như cần phải biết hướng và vị trí của mọi chiếc lá mà chúng bay qua, dù có con mồi hay không. Trong một khu rừng, một chú dơi đói sẽ bị choáng ngợp bởi nhu cầu liên tục phân tích một mớ hỗn độn tiếng vang từ vô số chiếc lá làm nhiễu loạn sóng siêu âm của nó. Dơi về cơ bản sẽ dành toàn bộ thời gian để vật lộn với góc tiếp cận chính xác.
Dieter Vanderelst, đồng tác giả bài báo và phó giáo sư sinh học, kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật điện tại Đại học Cincinnati, cho biết: "Các thí nghiệm hành vi đã gợi ý cách những con dơi này có thể giải quyết vấn đề tìm lá có con mồi, nhưng chúng tôi muốn biết liệu lời giải thích đó có thực sự đủ để hành vi đó hoạt động hay không."
Đó là lúc ý tưởng về robot ra đời. Chú dơi robot được thiết kế để hoạt động như một vật thay thế cơ học cho dơi thật, cho phép các nhà nghiên cứu phân tích cách những loài động vật có cánh này tiếp cận lá cây có và không có con mồi. Để làm được điều đó, nhóm đã tập hợp các chuyên gia từ cả sinh học và kỹ thuật để theo đuổi một mục tiêu chung – một sự hợp tác liên ngành không hề phổ biến. Cô Geipel nói rằng nhóm đã tận dụng kiến thức tổng hợp của các nhà sinh vật học như cô và các kỹ sư có khả năng mô hình hóa thế giới vật lý thông qua robot. Vanderelst nói thêm: "Bằng cách xây dựng chiến lược kiếm ăn giả định của dơi vào một robot và thử nghiệm nó trong thế giới vật lý, chúng tôi có thể đặt câu hỏi liệu một giải pháp đơn giản, thanh lịch có thể thành công trong điều kiện âm thanh phức tạp hay không."
Khi thiết kế robot, nhóm muốn một hệ thống mô phỏng chặt chẽ kỹ thuật kiếm ăn tự nhiên của dơi mà không thêm sự phức tạp không cần thiết. Chú dơi robot này ưu tiên chức năng hơn hình thức. Nó bao gồm một cánh tay robot với bộ phát sóng siêu âm tích hợp nhằm mô phỏng tiếng kêu mà dơi tạo ra. Ở cuối cánh tay là các micrô hai tai đóng vai trò là "tai" của dơi robot.
Toàn bộ thiết bị được gắn trên một đường ray tuyến tính dài 3 mét, hoạt động như một đường bay được rút gọn rất nhiều. Đường ray này nhỏ gọn đến mức nó có thể đặt vừa trong một văn phòng nhỏ.
Robot thực hiện các nhiệm vụ cần thiết để thu thập dữ liệu nghiên cứu quan trọng, nhưng chắc chắn nó sẽ không đánh lừa được ai nghĩ rằng nó là một bản sao thực sự của nguồn cảm hứng sinh học của nó. Cá nhân cô Geipel nói rằng cô sẽ thích thêm mắt lồi, nhưng cuối cùng họ đã bỏ qua ý tưởng đó vì sự chuyên nghiệp.
Những "chiếc lá" trong trường hợp này là bìa cứng in 3D. Một số trong số chúng có một con chuồn chuồn bìa cứng in 3D dài khoảng 9 cm được ghim vào giữa để đại diện cho con mồi tiềm năng. Trong thí nghiệm, robot di chuyển dọc theo đường ray, phát ra các xung siêu âm liên tiếp với độ trễ khoảng 0,5 giây giữa chúng. Dữ liệu tín hiệu thu được tạo thành cái mà các nhà nghiên cứu gọi là "vỏ bọc tiếng vang", sau đó được gửi không dây trở lại máy tính điều khiển cánh tay robot.
Tổng cộng, nhóm đã thực hiện hơn 45 thử nghiệm với chú dơi robot bay qua các cấu hình lá khác nhau, cả có và không có con mồi. Hệ thống hoạt động cực kỳ tốt. Robot đã phát hiện thành công những chiếc lá có chuồn chuồn được ghim tới 98% thời gian và chỉ xác định sai con mồi trên những chiếc lá trống rỗng 18% thời gian.
Điều quan trọng là chú dơi robot đã đạt được những kết quả này mà không cần đánh giá trước hướng hoặc góc của lá, một trong những câu hỏi chính mà các nhà nghiên cứu muốn trả lời. Dơi dường như tuân theo một khuôn khổ đơn giản: theo dõi những tiếng vang mạnh, ổn định trên một ngưỡng nhất định và bỏ qua những tiếng vang không đạt ngưỡng đó.
Mặc dù công trình này đặc biệt xem xét loài dơi tai lớn (Micronycteris microtis), các nhà nghiên cứu hy vọng họ có thể áp dụng nó cho các loài khác.
Dơi đã truyền cảm hứng cho nhiều robot khác trong các nghiên cứu trước đây. Năm 2017, các kỹ sư tại Đại học Tel Aviv đã phát triển Robat the Robot, một thiết bị tự hành có bánh xe đầu tiên thuộc loại này, điều hướng và khám phá môi trường xung quanh chỉ bằng cách sử dụng định vị bằng tiếng vang. Mặc dù không thể bay, Robat được trang bị một loa siêu âm phát ra tiếng kêu giống dơi cứ sau 30 giây. Nó xử lý các tiếng vang trở lại thông qua một mô hình học máy tích hợp, cho phép nó xác định và tránh chướng ngại vật trong thời gian thực.
Trước đó, các nhà nghiên cứu từ Caltech và Đại học Illinois tại Urbana–Champaign đã thiết kế Bat Bot, một robot lấy cảm hứng từ dơi với đôi cánh mềm, có khớp nối, nặng chỉ 93 gram. Đổi mới lớn ở đó là việc tạo ra đôi cánh tổng hợp có khả năng thay đổi hình dạng khi chúng vỗ, giống như cánh của một con dơi thật. Nhóm đã đạt được điều này bằng cách phát triển một màng silicone siêu mỏng tùy chỉnh cho đôi cánh.
Ngược lại, robot mà cô Geipel và các đồng nghiệp của cô đã giúp tạo ra có thể ít ấn tượng về mặt hình ảnh hơn so với hai ví dụ trước đó. Tuy nhiên, chức năng của nó được cho là cung cấp cho các nhà nghiên cứu dữ liệu phong phú hơn để thực sự hiểu chi tiết hơn về cách dơi sống và thở hoạt động.
Nhìn về phía trước, cô Geipel nói rằng cô và nhóm của mình hy vọng sẽ mở rộng nghiên cứu để bao gồm nhiều loài dơi hơn và xem liệu họ có thể hiểu rõ hơn cách dơi phân biệt giữa các loại con mồi tiềm năng khác nhau bám vào lá hay không. Khi nói đến việc nghiên cứu dơi rộng hơn, cô nói thêm, vẫn còn rất nhiều điều cần khám phá. Cô Geipel chia sẻ: "Chúng ta mới chỉ đang bắt đầu tìm hiểu thôi."
Nguồn: https://www.popsci.com/technology/robot-bat-hunting/
Đứng đầu nghiên cứu này có một phần đóng góp không nhỏ của nhà khoa học về dơi, Inga Geipel, cộng tác viên nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Nhiệt đới Smithsonian. Điều đặc biệt là hiệu suất của chú dơi robot này đã phần lớn xác nhận giả thuyết của cô Geipel về dơi thật. Dù đã dự đoán trước kết quả, cô vẫn cảm thấy vô cùng hài lòng, không phải vì bản thân mà vì những "người bạn" có lông của mình. Cô Geipel chia sẻ với Popular Science rằng: "Mình luôn là 'Team Dơi'. Chúng luôn đánh lừa mình, luôn thông minh hơn mình."
Nói một chút về định vị bằng tiếng vang cho những ai chưa rõ nhé. Dơi sử dụng khả năng này để tìm đường và săn mồi. Những loài động vật có cánh này phát ra các tiếng kêu click nhanh từ miệng, sau đó lắng nghe tiếng vang khi âm thanh dội lại từ các vật thể xung quanh, bao gồm cả những bữa ăn tiềm năng. Bằng cách phân tích thời gian và cường độ của những tiếng vang trở lại, dơi có thể xây dựng một bức tranh âm thanh chi tiết về môi trường xung quanh.
Quá trình nhận thức dựa trên sóng siêu âm này có phần giống với cách các phương tiện tự lái sử dụng cảm biến LiDAR để tạo ra một bản đồ nhỏ về thế giới xung quanh chúng ta. Tuy nhiên, trong khi ô tô tự lái cần hàng chục camera và cảm biến hoạt động đồng bộ, dơi lại hoàn thành nhiệm vụ tương tự một cách trực quan, chỉ với hai tai và một cái miệng.
Mặc dù các nhà khoa học đã biết dơi sử dụng định vị bằng tiếng vang từ lâu, nhưng vẫn chưa rõ chính xác cách chúng vận dụng nó trong thế giới thực, đặc biệt là trong những khu rừng rậm rạp, nơi có vô số chiếc lá trống rỗng cạnh tranh sự chú ý của một chú dơi đói bụng.
Để "bay vào thế giới của dơi", nhóm nghiên cứu đã dựa trên gần 20 năm nghiên cứu của cô Geipel. Cô kể rằng niềm đam mê của mình bắt đầu khi cô thoáng thấy một trong những loài động vật có cánh này khéo léo bay lượn trong bầu trời đêm không ánh sáng. Là một người yêu âm nhạc và âm thanh suốt đời, cô Geipel bị cuốn hút bởi ý tưởng rằng những sinh vật này có thể sử dụng các giác quan đó để "nhìn" theo những cách mà con người không thể hiểu được. Cô hy vọng công việc tương lai của mình sẽ làm sáng tỏ phần nào sự "tăm tối" về mặt trí tuệ đó. Cô Geipel nói: "Nhìn thế giới qua âm thanh là một hệ thống giác quan xa lạ với chúng ta. Mình thấy thật sự rất hấp dẫn khi dơi có thể bay trong bóng tối hoàn toàn."
Nghiên cứu về dơi robot mới này có thể coi là một "phần tiếp theo" tinh thần cho nghiên cứu tiến sĩ của cô Geipel về cách dơi kiếm ăn. Công trình trước đó của cô đã chỉ ra rằng dơi tai lớn (Micronycteris microtis) ban đầu tiếp cận lá cây ở một góc cụ thể để tiếng click siêu âm của chúng phản xạ từ những chiếc lá rừng nhẵn nhụi như một tấm gương định vị. Những chiếc lá có vật thể trên đó, chẳng hạn như côn trùng, sẽ làm tán xạ sóng siêu âm, dẫn đến việc dơi nhận được xung phản hồi mạnh hơn. Từ góc nhìn của dơi, tiếng vang mạnh hơn có thể đồng nghĩa với một bữa trưa ngon lành.
Tuy nhiên, dù lý thuyết cơ bản đó có vẻ hợp lý một cách trực quan, nó cũng đặt ra một vấn đề thực tế. Để hệ thống được đề xuất hoạt động, dơi dường như cần phải biết hướng và vị trí của mọi chiếc lá mà chúng bay qua, dù có con mồi hay không. Trong một khu rừng, một chú dơi đói sẽ bị choáng ngợp bởi nhu cầu liên tục phân tích một mớ hỗn độn tiếng vang từ vô số chiếc lá làm nhiễu loạn sóng siêu âm của nó. Dơi về cơ bản sẽ dành toàn bộ thời gian để vật lộn với góc tiếp cận chính xác.
Dieter Vanderelst, đồng tác giả bài báo và phó giáo sư sinh học, kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật điện tại Đại học Cincinnati, cho biết: "Các thí nghiệm hành vi đã gợi ý cách những con dơi này có thể giải quyết vấn đề tìm lá có con mồi, nhưng chúng tôi muốn biết liệu lời giải thích đó có thực sự đủ để hành vi đó hoạt động hay không."
Đó là lúc ý tưởng về robot ra đời. Chú dơi robot được thiết kế để hoạt động như một vật thay thế cơ học cho dơi thật, cho phép các nhà nghiên cứu phân tích cách những loài động vật có cánh này tiếp cận lá cây có và không có con mồi. Để làm được điều đó, nhóm đã tập hợp các chuyên gia từ cả sinh học và kỹ thuật để theo đuổi một mục tiêu chung – một sự hợp tác liên ngành không hề phổ biến. Cô Geipel nói rằng nhóm đã tận dụng kiến thức tổng hợp của các nhà sinh vật học như cô và các kỹ sư có khả năng mô hình hóa thế giới vật lý thông qua robot. Vanderelst nói thêm: "Bằng cách xây dựng chiến lược kiếm ăn giả định của dơi vào một robot và thử nghiệm nó trong thế giới vật lý, chúng tôi có thể đặt câu hỏi liệu một giải pháp đơn giản, thanh lịch có thể thành công trong điều kiện âm thanh phức tạp hay không."
Khi thiết kế robot, nhóm muốn một hệ thống mô phỏng chặt chẽ kỹ thuật kiếm ăn tự nhiên của dơi mà không thêm sự phức tạp không cần thiết. Chú dơi robot này ưu tiên chức năng hơn hình thức. Nó bao gồm một cánh tay robot với bộ phát sóng siêu âm tích hợp nhằm mô phỏng tiếng kêu mà dơi tạo ra. Ở cuối cánh tay là các micrô hai tai đóng vai trò là "tai" của dơi robot.
Toàn bộ thiết bị được gắn trên một đường ray tuyến tính dài 3 mét, hoạt động như một đường bay được rút gọn rất nhiều. Đường ray này nhỏ gọn đến mức nó có thể đặt vừa trong một văn phòng nhỏ.
Robot thực hiện các nhiệm vụ cần thiết để thu thập dữ liệu nghiên cứu quan trọng, nhưng chắc chắn nó sẽ không đánh lừa được ai nghĩ rằng nó là một bản sao thực sự của nguồn cảm hứng sinh học của nó. Cá nhân cô Geipel nói rằng cô sẽ thích thêm mắt lồi, nhưng cuối cùng họ đã bỏ qua ý tưởng đó vì sự chuyên nghiệp.
Những "chiếc lá" trong trường hợp này là bìa cứng in 3D. Một số trong số chúng có một con chuồn chuồn bìa cứng in 3D dài khoảng 9 cm được ghim vào giữa để đại diện cho con mồi tiềm năng. Trong thí nghiệm, robot di chuyển dọc theo đường ray, phát ra các xung siêu âm liên tiếp với độ trễ khoảng 0,5 giây giữa chúng. Dữ liệu tín hiệu thu được tạo thành cái mà các nhà nghiên cứu gọi là "vỏ bọc tiếng vang", sau đó được gửi không dây trở lại máy tính điều khiển cánh tay robot.
Tổng cộng, nhóm đã thực hiện hơn 45 thử nghiệm với chú dơi robot bay qua các cấu hình lá khác nhau, cả có và không có con mồi. Hệ thống hoạt động cực kỳ tốt. Robot đã phát hiện thành công những chiếc lá có chuồn chuồn được ghim tới 98% thời gian và chỉ xác định sai con mồi trên những chiếc lá trống rỗng 18% thời gian.
Điều quan trọng là chú dơi robot đã đạt được những kết quả này mà không cần đánh giá trước hướng hoặc góc của lá, một trong những câu hỏi chính mà các nhà nghiên cứu muốn trả lời. Dơi dường như tuân theo một khuôn khổ đơn giản: theo dõi những tiếng vang mạnh, ổn định trên một ngưỡng nhất định và bỏ qua những tiếng vang không đạt ngưỡng đó.
Mặc dù công trình này đặc biệt xem xét loài dơi tai lớn (Micronycteris microtis), các nhà nghiên cứu hy vọng họ có thể áp dụng nó cho các loài khác.
Dơi đã truyền cảm hứng cho nhiều robot khác trong các nghiên cứu trước đây. Năm 2017, các kỹ sư tại Đại học Tel Aviv đã phát triển Robat the Robot, một thiết bị tự hành có bánh xe đầu tiên thuộc loại này, điều hướng và khám phá môi trường xung quanh chỉ bằng cách sử dụng định vị bằng tiếng vang. Mặc dù không thể bay, Robat được trang bị một loa siêu âm phát ra tiếng kêu giống dơi cứ sau 30 giây. Nó xử lý các tiếng vang trở lại thông qua một mô hình học máy tích hợp, cho phép nó xác định và tránh chướng ngại vật trong thời gian thực.
Trước đó, các nhà nghiên cứu từ Caltech và Đại học Illinois tại Urbana–Champaign đã thiết kế Bat Bot, một robot lấy cảm hứng từ dơi với đôi cánh mềm, có khớp nối, nặng chỉ 93 gram. Đổi mới lớn ở đó là việc tạo ra đôi cánh tổng hợp có khả năng thay đổi hình dạng khi chúng vỗ, giống như cánh của một con dơi thật. Nhóm đã đạt được điều này bằng cách phát triển một màng silicone siêu mỏng tùy chỉnh cho đôi cánh.
Ngược lại, robot mà cô Geipel và các đồng nghiệp của cô đã giúp tạo ra có thể ít ấn tượng về mặt hình ảnh hơn so với hai ví dụ trước đó. Tuy nhiên, chức năng của nó được cho là cung cấp cho các nhà nghiên cứu dữ liệu phong phú hơn để thực sự hiểu chi tiết hơn về cách dơi sống và thở hoạt động.
Nhìn về phía trước, cô Geipel nói rằng cô và nhóm của mình hy vọng sẽ mở rộng nghiên cứu để bao gồm nhiều loài dơi hơn và xem liệu họ có thể hiểu rõ hơn cách dơi phân biệt giữa các loại con mồi tiềm năng khác nhau bám vào lá hay không. Khi nói đến việc nghiên cứu dơi rộng hơn, cô nói thêm, vẫn còn rất nhiều điều cần khám phá. Cô Geipel chia sẻ: "Chúng ta mới chỉ đang bắt đầu tìm hiểu thôi."
Nguồn: https://www.popsci.com/technology/robot-bat-hunting/
