TS Phan Hoàng Vũ: “Cha đẻ” robot siêu nhỏ bay như côn trùng

Hành trình khám phá của TS Phan Hoàng Vũ bắt đầu từ một sự tình cờ đầy thú vị vào năm 2020, khi anh còn làm việc tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Hoon Cheol Park ở Hàn Quốc. Trong một lần thực hiện thí nghiệm, anh đã vô tình ghi lại được một chuỗi triển khai cánh nhiều pha cực kỳ phức tạp ở loài bọ cánh cứng. Điều này hoàn toàn khác biệt so với cách thức bung cánh thường thấy ở các loài chim hay những côn trùng bay khác. Một câu hỏi lớn đã nảy sinh trong tâm trí nhà khoa học trẻ: "Tại sao bọ cánh cứng lại sử dụng một quy trình phức tạp như vậy để bung cánh?".

Câu hỏi này không chỉ dừng lại ở sự tò mò nhất thời mà đã trở thành một nỗi trăn trở, đeo đuổi TS Vũ ngay cả khi anh chuyển sang Thụy Sĩ vào đầu năm 2021 để làm việc tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Dario Floreano tại EPFL, với một dự án nghiên cứu ban đầu không liên quan trực tiếp đến bọ cánh cứng. Tuy nhiên, những suy nghĩ về cơ chế bay độc đáo của loài côn trùng này vẫn không ngừng thôi thúc anh.

Khi có cơ hội chia sẻ những suy nghĩ và giả thuyết của mình với Giáo sư Floreano, một chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực robot thông minh, TS Vũ đã mạnh dạn đề nghị được quay trở lại nghiên cứu sâu hơn về loài bọ cánh cứng. Cụ thể, anh muốn thực hiện các thí nghiệm trên loài bọ cánh cứng sừng chữ Y, một loài khá phổ biến ở Hàn Quốc nhưng lại rất hiếm gặp tại Thụy Sĩ. Sự ủng hộ từ GS Floreano đã mở đường cho một hướng nghiên cứu mới đầy hứa hẹn.

Từ đây, TS Phan Hoàng Vũ và nhóm nghiên cứu của mình đã từng bước chứng minh được nguyên lý bay đặc biệt của bọ cánh cứng. Khác với những nhận định trước đó của giới khoa học cho rằng côn trùng sử dụng cơ ngực để chủ động điều khiển việc đóng mở cánh (tương tự như chim và dơi), nhóm của TS Vũ phát hiện ra một cơ chế tinh vi hơn nhiều.

Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng các loài côn trùng có hệ thống cánh phức tạp như bọ cánh cứng sở hữu một cặp cánh cứng phía trước (gọi là elytra) đóng vai trò như một lớp vỏ bảo vệ, và một cặp cánh màng phía sau (hind wings) trực tiếp dùng để bay. Điều đáng kinh ngạc là cặp cánh cứng elytra không chỉ bảo vệ mà còn có thể tận dụng lực ly tâm tạo ra khi chúng bắt đầu đập để hỗ trợ bung cặp cánh sau ra một cách dễ dàng, mà không cần sự điều khiển trực tiếp từ cơ bắp cho cánh sau. Tương tự, sau khi hạ cánh, bọ cánh cứng lại sử dụng chính cặp cánh cứng phía trước này để đẩy và ép cặp cánh sau gập gọn lại sát vào thân. Toàn bộ quá trình này diễn ra một cách tự nhiên, không cần đến một hệ thống cơ riêng biệt phức tạp chỉ để bung và gập cánh sau.

Phát hiện này là một bước ngoặt. Trước đây, việc tích hợp cơ chế đóng mở cánh chủ động vào robot côn trùng siêu nhỏ luôn là một thách thức lớn. Nó không chỉ làm tăng độ phức tạp trong thiết kế và chế tạo mà còn làm tăng khối lượng tổng thể của robot, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng và hiệu suất bay của chúng. Chính vì vậy, đa số các robot cánh vỗ mô phỏng côn trùng được phát triển trong nhiều năm qua vẫn phải chấp nhận giải pháp giữ cánh ở trạng thái duỗi hoàn toàn (như khi đang bay), khiến chúng trở nên cồng kềnh và dễ bị hư hại khi không bay hoặc khi di chuyển trên mặt đất.

Từ nguyên lý sinh học độc đáo vừa khám phá, TS Phan Hoàng Vũ đã phát triển một cơ cấu cánh gập cơ học đơn giản nhưng cực kỳ hiệu quả cho robot côn trùng. Cơ chế này, được đặt tên là "triển khai và thu cánh thụ động" (passive wing deployment and retraction), cho phép robot có khả năng tự bung cánh ra khi bay và tự động thu cánh lại gọn gàng khi hạ cánh. Điều quan trọng là toàn bộ quá trình này hoàn toàn không cần đến bất kỳ cơ cấu truyền động phức tạp nào để điều khiển trực tiếp việc bung hay gập của cánh bay.

Nhờ cơ chế đột phá này, robot côn trùng do TS Vũ phát triển – những thiết bị bay siêu nhẹ lấy cảm hứng từ đặc điểm sinh học của côn trùng như bọ cánh cứng hay ong, với kích thước chỉ bằng lòng bàn tay hoặc nhỏ hơn, thường nặng dưới 20 gram và sử dụng cánh đập để tạo lực nâng thay vì cánh quạt như drone truyền thống – có thể thu gọn cánh sau khi bay. Điều này không chỉ giúp bảo vệ đôi cánh mỏng manh khỏi hư hại mà còn tăng tính linh hoạt của robot khi hoạt động trong không gian hẹp hoặc môi trường phức tạp, đồng thời vẫn giữ được khối lượng nhẹ, không ảnh hưởng đến hiệu suất bay.

"Đây được coi là robot cánh vỗ đầu tiên có thể dễ dàng gập và triển khai cánh của chúng giống như côn trùng trong tự nhiên," TS Vũ chia sẻ.

Một thách thức khác trong thiết kế robot côn trùng là điều hướng. "Robot côn trùng không có đuôi để điều hướng như máy bay thông thường," TS Vũ giải thích, "nên cần tích hợp một cơ chế điều khiển sự chênh lệch lực khí động giữa hai cánh để kiểm soát tư thế và hướng bay, tương tự như cách các loài côn trùng thực hiện trong tự nhiên." Việc giải quyết được bài toán gập cánh thụ động cũng góp phần đơn giản hóa việc tích hợp các cơ chế điều khiển phức tạp này.

Để kiểm chứng phát hiện và thiết kế của mình, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng chi tiết cơ chế bay của bọ cánh cứng và thực hiện các thử nghiệm bay không dây với robot mẫu. Kết quả rất khả quan: robot có thể tự động bung cánh để cất cánh từ mặt đất và tự thu gọn cánh lại một cách mượt mà sau khi hạ cánh. Một trong những robot thử nghiệm, với khối lượng chỉ 16 gram, đã có thể bay liên tục trong tối đa 9 phút – một con số ấn tượng đối với robot siêu nhỏ dạng này.

Với cơ chế gập cánh lại khi không ở trạng thái bay, giống hệt như nhiều loại côn trùng trong tự nhiên, robot trở nên gọn gàng hơn rất nhiều. Điều này cho phép chúng di chuyển linh hoạt hơn khi cần bò trên mặt đất, đặc biệt là trong môi trường chật hẹp, nhiều vật cản. Chính vì vậy, các robot côn trùng nhỏ sở hữu cơ chế này có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn. Chúng có thể đảm nhận các nhiệm vụ như thám hiểm những không gian cực kỳ hẹp mà con người hay các robot lớn hơn không thể vào được, giám sát môi trường một cách kín đáo, hoặc đặc biệt hữu ích trong các hoạt động tìm kiếm cứu nạn ở những khu vực đổ nát, nguy hiểm sau thiên tai như động đất, sạt lở.

Không chỉ dừng lại ở đó, với thiết kế mô phỏng tự nhiên và khả năng bay gần như không gây ra tiếng động, các robot côn trùng này mở ra những ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh. “Chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ giám sát và trinh sát ở khoảng cách gần mà mục tiêu khó có thể phát hiện”, TS Vũ cho hay.

TS Vũ cho biết, trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh, những "chú bọ robot" này cũng hứa hẹn mang lại lợi ích thiết thực, ví dụ như thực hiện thụ phấn nhân tạo cho cây trồng một cách chính xác, hoặc theo dõi, phát hiện sớm dịch bệnh trên cây trồng mà không gây tổn hại cho hoa màu.

Mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể, TS Phan Hoàng Vũ cũng thẳng thắn nhìn nhận rằng để đưa robot côn trùng với cơ chế gập cánh thụ động vào ứng dụng thực tiễn rộng rãi, nhóm nghiên cứu của anh vẫn cần tiếp tục thực hiện nhiều cải tiến quan trọng. Các hướng ưu tiên bao gồm việc tăng thời gian bay của robot, cải tiến hệ thống điều khiển tự động để robot có thể hoạt động độc lập hơn, và nâng cao khả năng bay linh hoạt, thích ứng tốt hơn với các điều kiện môi trường đa dạng.

Dù vậy, không thể phủ nhận rằng cơ chế bung và gập cánh thụ động là một bước đột phá mang tính nền tảng trong thiết kế robot nhỏ. TS Vũ nhấn mạnh rằng tác dụng của cơ chế này không chỉ giới hạn trên robot côn trùng. Nó hoàn toàn có thể dễ dàng được điều chỉnh và ứng dụng trên tất cả các loại robot cánh vỗ khác nhau, bất kể kích thước. Kết quả nghiên cứu này cũng là một minh chứng thuyết phục cho thấy việc tái tạo những cơ chế tinh vi, phức tạp của tự nhiên trên các hệ thống robot thông qua những thiết kế cơ khí đơn giản, thông minh là điều hoàn toàn khả thi.

Đánh giá về công trình này, Giáo sư Dario Floreano, Giám đốc Phòng thí nghiệm Hệ thống Thông minh tại EPFL, người trực tiếp hướng dẫn và hợp tác với TS Phan Hoàng Vũ, nhận định rằng cơ chế bung và gập cánh thụ động là một bước tiến quan trọng và có ý nghĩa trong lĩnh vực thiết kế robot nhỏ. Ông cho hay: "Nguyên lý thiết kế này đặc biệt phù hợp với các hệ thống robot siêu nhỏ, nơi mà không gian, trọng lượng và năng lượng đều bị giới hạn một cách nghiêm ngặt. Nó giúp đơn giản hóa đáng kể các cấu trúc cơ khí vốn rất phức tạp, mở ra những khả năng mới cho thế hệ robot tương lai”.

Nghiên cứu của TS Phan Hoàng Vũ và các cộng sự không chỉ là một thành tựu khoa học kỹ thuật mà còn là nguồn cảm hứng cho thấy sự quan sát tỉ mỉ tự nhiên, kết hợp với tư duy sáng tạo và kiên trì theo đuổi có thể dẫn đến những phát minh đột phá, phục vụ đắc lực cho cuộc sống con người.