Ý tưởng nhỏ vĩ đại: Làm robot thay côn trùng cứu Trái đất và loài người

Thời tiết khắc nghiệt trong mùa hè này là lời nhắc nhở rõ ràng rằng biến đổi khí hậu không chỉ là nguy cơ mà đã thành sự thật. Hầu hết chúng ta đã phải chứng kiến nhiều hơn việc bầu trời đầy khói mù, những con đường ngập nước và cái nóng kinh khủng. Nhưng cũng quan trọng không kém là sự suy giảm nghiêm trọng và liên tục của quần thể ong trên toàn cầu.

Nhiều loại cây trồng dựa vào ong và các loài thụ phấn khác để sinh sản. Trên thực tế, một phần ba lượng thức ăn mà chúng ta ăn đều đến từ thực vật cần được thụ phấn, vì vậy sức khỏe của loài thụ phấn ảnh hưởng đến tất cả chúng ta. Nhưng gần 35% quần thể côn trùng thụ phấn trên toàn thế giới có nguy cơ tuyệt chủng và hơn một nửa số loài ong bản địa Bắc Mỹ đang suy giảm do thuốc trừ sâu, mất môi trường sống, biến đổi khí hậu và các biện pháp thâm canh.

Những xu hướng đáng lo ngại này khiến con người ngày càng phải phổ biến các biện pháp nhằm cứu loài ong. Nhưng Nitin Sanket, trợ lý giáo sư tại khoa Kỹ thuật robot, đang tiếp cận vấn đề này từ một góc độ hoàn toàn khác.

Sanket cho biết: “Rất nhiều nhà môi trường đang làm việc để bảo tồn loài ong và đó là một điều tốt. Nhưng khí hậu đang biến đổi khá mạnh mẽ, vì vậy chúng ta cũng cần các giải pháp thay thế, gồm cả việc xem xét các cách khác để thụ phấn cho thực vật”, đồng thời chỉ tay về một vật nhỏ bé: ong robot.

Đó là một robot bay tự động mà Sanket và các sinh viên khoa Robot tự động đang phát triển với nguồn tài trợ tiềm năng đến từ nhiều nguồn khác nhau, từ cả tổ chức quân sự đến tổ chức môi trường. Nguyên mẫu hiện tại là một khối nhựa nhỏ màu đen in 3D được trang bị 4 động cơ đẩy hơn 6cm, một camera có độ phân giải cao và pin lithium có thể sạc lại.

Mô hình hiện tại có chiều ngang 12cm - tương đương kích thước của một con chim ruồi - nhưng nặng 200 gr, tức là gấp khoảng 100 lần so với loài thụ phấn lông vũ đó. Nó có thể lặng lẽ bay vòng vèo trong không khí để tránh chướng ngại vật và quay đầu để điều hướng trong không gian hẹp, bay tổng cộng từ 5 - 7 phút tùy thuộc vào pin và loại chuyển động mà nó thực hiện.

Mục đích lâu dài của Sanket là tạo ra một thiết bị đủ nhỏ và chứa đủ năng lượng để bay độc lập theo bầy đàn trong nhiều giờ. Việc lập trình điều khiển sẽ được nâng cấp dần để robot có thể thu thập và chuyển phấn hoa thành công từ nhiều loại cây khác nhau. Sẽ thật tuyệt vời cho Trái đất nếu con ong robot cũng có thể chạy hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời và phân hủy sinh học hoàn toàn trong đất khi các bộ phận của nó bị hao mòn.

Sanket thừa nhận vẫn cần nhiều năm nữa mới có thể tạo ra một con ong robot xanh và đầy đủ chức năng, nhưng ông rất lạc quan rằng các kỹ sư ở nhiều lĩnh vực đang nghiên cứu từng chi tiết, chắc chắn sẽ giúp thúc đẩy dự án của ông. Các nhà nghiên cứu tại MIT, Harvard và Đại học Washington đang giải quyết những thách thức về cơ khí để chế tạo một robot với cơ thể không lớn hơn một con ong. Trong khi đó, nhờ hợp tác với Yiannis Aloimonos và Cornelia Fermüller tại Đại học Maryland, nhóm của Sanket đang hoàn thiện khả năng của robot trong việc điều hướng một cách trơn tru và độc lập. Nói cách khác, họ đang xây dựng bộ não của ong robot.

Tuy nhiên, Sanket lưu ý: “Bạn không thể sử dụng logic giống như cách bạn làm với bộ não con người. Và rõ ràng là chúng ta không thể hiểu loài ong đang nghĩ gì. Vì thế nhóm của tôi đang suy tính”.

Suy tính đó được xây dựng dựa trên nghiên cứu côn trùng học hiện có về sự di chuyển và hành vi của côn trùng. Hiểu được cách loài ong thường phản ứng trong các tình huống cụ thể giúp nhóm của Sanket xác định được nhiều chức năng riêng lẻ mà họ cần để lập trình vào khả năng nhận thức cũng như khả năng tự chủ của robot.

Mỗi người trong nhóm Sanket đang xử lý một chi tiết khác nhau của thiết bị. Cụ thể, họ đang cố gắng cải thiện sự linh hoạt, tốc độ, tuổi thọ bay, nhận thức về vật thể và khả năng tránh chướng ngại vật của ong robot.

Rishabh Singh, sinh viên thạc sĩ kỹ thuật robot, đang tập trung vào việc làm cho thiết bị bay nhanh hơn trong khi vẫn duy trì toàn bộ tốc độ tính toán và khả năng tự chủ hiện tại của nó. Singh bắt đầu thực hiện dự án ong robot cách đây vài năm trong thời gian thực tập tại Đại học Maryland. Singh là người đã thực sự chế tạo những chiếc máy bay không người lái mà Sanket đã thử nghiệm bay trong quá trình nghiên cứu sau tiến sĩ.

Singh cho biết: “Dự án này được xây dựng dựa trên những gì chúng tôi đã làm ở Maryland bằng cách tăng thêm tốc độ nhưng điều này làm tăng thêm độ phức tạp. Làm thế nào chúng ta có thể khiến máy bay không người lái có kích thước bằng một con ong bay tự động qua khu rừng với tốc độ 30 mét mỗi giây? Tốc độ đó nhanh gấp 3 lần so với máy bay không người lái tự động nhanh nhất hiện nay”.

Để bay nhanh như vậy trong môi trường đó, thiết bị phải vừa nhẹ vừa đủ chắc chắn để mang các cảm biến cần thiết. Ngoài ra, “nó phải đủ cứng cáp để chống va chạm ngoài tự nhiên”.

Sanket giải thích “những con ong thật luôn đụng độ nhau khi bay vì chúng khó né kịp khi di chuyển tốc độ cao. Nhưng điều đó không sao vì cơ thể của ong thật rất cứng cáp”. Tuy nhiên, mỗi khi ong robot hiện tại gặp phải điều gì đó, máy móc đắt tiền có thể bị hỏng. Những sự cố trong phòng thí nghiệm đó có thể mang lại những cơ hội học hỏi quý giá mà cuối cùng sẽ giúp nhóm của Sanket chế tạo được ong robot tốt hơn.

Ý tưởng thú vị, tác động lớn lao

Không có chi tiết nào kể trên ảnh hưởng đến suy nghĩ của Sanket khi bắt đầu thực hiện dự án này lần đầu tiên trong thời gian học cao học. Theo Sanket, tất cả bắt đầu như một trò đùa. Một ngày nọ, khi đang tranh luận với đồng nghiệp, Sanket liếc nhìn một món đồ chơi nhỏ xíu, mềm mại trên bàn làm việc. Nhà khoa học này tự nhủ: “Ta nên chế tạo một chiếc máy bay không người lái nhỏ như vậy chỉ để chứng tỏ rằng điều đó là có thể”. Và ngay khi thực sự bắt đầu nghĩ về nó, họ nhận ra rằng đây không chỉ là một vấn đề nan giải mà còn là một vấn đề khó giải quyết với tham số: sự va chạm.

Luận án tiến sĩ của Sanket về ong robot đã mang lại cho ông giải thưởng tại Đại học Maryland và MDPI, nhà xuất bản quốc tế về các tạp chí khoa học được truy cập mở. Sanket là tác giả chính của một số bài báo nghiên cứu các chức năng cụ thể liên quan đến hệ thống dẫn đường tự động trên không. Gần đây nhất, tạp chí Science Robotics số tháng 8.2023 đăng trên trang bìa một bài báo của Sanket và các nhà nghiên cứu từ Đại học Maryland cho thấy rằng khả năng hiểu được khi nào các giả định có thể không chính xác của robot là đặc biệt quan trọng trong việc điều hướng các tình huống không thể đoán trước.

Sau khi có thể hoàn thiện khả năng di chuyển của robot nhỏ trong không gian chật hẹp và tránh các vật thể chuyển động khác, Sanket biết rằng thiết bị này rất có giá trị trong một số tình huống thực tế không liên quan gì đến thực vật hoặc thụ phấn, chẳng hạn công tác tìm kiếm và cứu hộ. Khả năng ứng dụng đó của ý tưởng đã giúp Sanket nhận được tài trợ từ Văn phòng Nghiên cứu Hải quân trong quá trình học tiến sĩ. Và nhờ đó, Sanket không còn phải lo lắng rằng việc phát triển những con ong robot sẽ khiến tiền bạc bị lãng phí thay vì dành để bảo vệ môi trường.

Sanket nói: “Công nghệ này đang thu hút nguồn tiền mới vì những người đầu tư ngoài lĩnh vực môi trường vẫn có thể đầu tư vào công nghệ này”, đồng thời giải thích: “Giống như khi GPS lần đầu tiên được quân đội phát triển. Họ quan tâm đến công nghệ này vì một lý do hoàn toàn khác với lý do chúng ta đang sử dụng nó ngày nay. Nhưng nếu họ đầu tư tiền để phát triển một công nghệ thì công chúng có thể áp dụng công nghệ đó phục vụ cho các mục đích sáng tạo khác”.

Bất chấp mọi thứ xung quanh, Sanket và các sinh viên vẫn đang dần dần hướng tới mục tiêu tạo ra một thiết bị có kích thước nhỏ hoàn toàn tự động. Họ biết rằng sự sống trên khắp hành tinh trong tương lai có thể phụ thuộc vào nó.