PGS.TS Hồ Anh Văn (Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản - JAIST, Nhật Bản) và các cộng sự đã phát triển một liên kết robot mới có thể giúp tương tác giữa người và robot trở nên an toàn và thuận tiện hơn trong tương lai.

Hình ảnh mô phỏng liên kết robot ProTac. Ảnh: Bài báo nghiên cứu

Thời đại mà robot phải hoạt động sau hàng rào an ninh để bảo vệ sự an toàn của con người đã đi qua từ rất lâu. Trong những năm gần đây, robot đã trở thành những cỗ máy vô cùng tinh vi có khả năng thực hiện tất cả các nhiệm vụ khác nhau hoặc hỗ trợ con người trong mọi hoạt động của đời sống. Sớm thôi, chúng ta có thể sẽ thấy những con robot hoạt động và làm việc ngay bên cạnh con người.

Mặc dù viễn cảnh làm việc cùng với robot như vậy có thể rất khả thi trong một số trường hợp, song, yếu tố quan trọng và tiên quyết để đạt được điều ấy là robot phải được thiết kế sao cho an toàn và khiến con người cảm thấy dễ chịu khi tương tác cùng. Một ví dụ đơn giản chính là, trong tương tác giữa người và robot, robot phải có khả năng phản ứng chính xác với các va chạm có thể xảy ra với con người, đồng thời phải biết cách phản ứng an toàn và đoán trước được các va chạm vật lý có chủ ý.

Tăng khả năng cảm nhận của robot

Cho đến nay, để cải thiện tương tác giữa người - robot, một trong những phương pháp hiệu quả nhất chính là “cung cấp” cho robot khả năng cảm nhận môi trường xung quanh chúng theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như bằng cảm ứng, hình ảnh và âm thanh. Trong số ba cách này, khả năng cảm giác xúc giác là yếu tố đặc biệt quan trọng đối với những robot có tiềm năng sẽ được sử dụng trong các hoạt động thường ngày và có tiếp xúc vật lý với con người trong quá trình hoạt động. Mặc dù các cảm biến xúc giác quy mô nhỏ như ngón tay hay bàn tay của robot đã đạt được nhiều tiến bộ vượt bậc trong thập kỷ qua, song, việc phát triển các cảm biến xúc giác quy mô lớn vẫn gặp rất nhiều thách thức. Thêm vào đó, để các thiết bị xúc giác có thể “học” được như vậy đòi hỏi phải có một bộ dữ liệu xúc giác khổng lồ - một vấn đề làm phức tạp quá trình thu thập dữ liệu.

Không chỉ vậy, cho đến nay, hầu hết các nhà nghiên cứu mới chỉ tập trung vào các hệ thống phản ứng của robot với sự tiếp xúc vật lý, trong khi đó lại bỏ qua việc nghiên cứu phản ứng với các kích thích không tiếp xúc, chẳng hạn như khi có một vật thể ở gần robot.

Để giải quyết những vấn đề này, PGS.TS Hồ Anh Văn và các đồng nghiệp từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản đã nghiên cứu và phát triển ProTac - một liên kết robot mềm độc đáo có khả năng cảm nhận xúc giác và khoảng cách gần. Kết quả nghiên cứu của nhóm mới đây đã được công bố trong bài báo “Simulation, Learning, and Application of Vision-Based Tactile Sensing at Large Scale”, xuất bản trên tạp chí IEEE Transactions on Robotics và được trình bày tại Hội nghị quốc tế IEEE-RAS về Robot mềm (ROBOSOFT).

Vậy liên kết robot là gì, trông như thế nào và liên kết robot mang tên ProTac của nhóm có thể dùng vào việc gì? Hiểu một cách đơn giản, các liên kết robot là các thành phần cấu trúc cứng của robot, kết nối hai hoặc nhiều khớp nối với nhau. Ví dụ, các liên kết robot có thể được xem như là các “phân đoạn” khác nhau trong cánh tay/chân của robot. Cũng tương tự như vậy, liên kết robot ProTac của nhóm PGS.TS Văn được thiết kế dưới dạng một đoạn hình trụ, mềm cho cánh tay robot. Tuy nhiên, cách mà nhóm nghiên cứu kết hợp các khả năng cảm nhận xúc giác và khoảng cách của robot theo một cách khác với thông thường để đảm bảo sự thuận tiện và tiết kiệm không gian mới chính là điều làm cho ProTac trở nên đáng chú ý.

Theo đó, ProTac có một “lớp da ma thuật mềm” bên ngoài, có khả năng thay đổi nhẹ hình dạng khi được chạm vào, song không hề bị hư hại. Mặt trong của da được tạo thành bằng các mảng đánh dấu phản chiếu và máy ảnh mắt cá - được lắp đặt ở cả hai đầu của liên kết robot và nhìn về phía các điểm đánh dấu này. Theo nhóm nghiên cứu, ý tưởng của cách thiết kế này chính là: khi robot có sự tiếp xúc vật lý và thay đổi hình dạng của da thì những thay đổi về vị trí tương đối của các điểm đánh dấu sẽ được camera ghi lại và xử lý, từ đó tính toán vị trí và cường độ chính xác của sự tiếp xúc vật lý đó. Đáng chú ý, lớp vỏ bên ngoài của robot là một loại polyme chức năng, được chế tạo để có thể trở nên hoàn toàn trong suốt khi đặt một điện áp bên ngoài. Cách thiết kế như vậy cho phép các camera mắt cá có thể chụp ảnh môi trường xung quanh ProTac ngay lập tức, từ đó cung cấp các cảnh quay để robot tính toán khoảng cách.

Dễ dàng huấn luyện hơn

Không chỉ dừng lại ở việc tự thiết kế ProTac, nhóm nghiên cứu còn là những người tiên phong tạo ra bộ khung học tập (learning framework) và mô phỏng mới để liên kết robot này có thể được sử dụng hiệu quả trong thời gian tới.

Theo đó, để có thể huấn luyện ProTac dễ dàng hơn trong việc thực hiện các phép đo độ gần và xúc giác, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Văn đã phát triển SimTacLS, một khung học tập và mô phỏng mã nguồn mở dựa trên các công cụ vật lý và trình mô phỏng trước đây như SOFA và Gazebo. Nhóm nghiên cứu cho biết, khung học máy này đã được huấn luyện với dữ liệu thử nghiệm và mô phỏng có tính đến tính chất vật lý của tiếp xúc mềm và khả năng hiển thị thực tế của hình ảnh cảm biến.

“Với SimTacLS, chúng tôi có thể ứng dụng hiệu quả khả năng nhận thức xúc giác cho liên kết robot mềm mà không cần phải trả chi phí cao cho các thiết lập thử nghiệm phức tạp”, PGS.TS Văn chia sẻ trong thông cáo báo chí. Thêm vào đó, “với khung học tập này, người sử dụng có thể dễ dàng xác thực các thiết kế cảm biến và hiệu suất cảm biến trước khi tiến hành chế tạo và thực hiện trong thực tế”.

Theo đó, hệ thống sử dụng tập dữ liệu mô phỏng, bao gồm hình ảnh ảo và biến dạng da, để huấn luyện mạng thần kinh xúc giác sâu nhằm trích xuất thông tin xúc giác ở mức độ cao. Ngoài ra, nhóm của PGS.TS Văn áp dụng một mạng sinh (generative network) để giảm thiểu độ không chính xác, giúp duy trì hiệu suất cảm biến xúc giác dựa trên mô phỏng. Điều đáng chú ý là nhóm nghiên cứu đã ứng dụng được phương pháp cảm biến này cho cảm biến xúc giác quy mô lớn (có tên TacLink), thông qua việc thử nghiệm trong hai trường hợp: (1) thao tác không sử dụng toàn bộ cánh tay và hướng dẫn chuyển động trực quan, (2) sử dụng cánh tay robot xúc giác được chế tạo tùy chỉnh tích hợp với TacLink.

Với những kết quả khả quan ấy, theo nhóm của PGS.TS Văn, nghiên cứu mới này sẽ giúp mở đường cho một tương lai nơi con người có thể cùng tồn tại và làm việc hài hòa cùng với robot. “Chúng tôi hy vọng thiết bị và khung cảm biến này sẽ mang lại các giải pháp tối ưu cho việc thiết kế ra các robot mềm mại hơn, có khả năng cảm biến toàn thân và đa phương thức cũng như có khả năng kiểm soát an toàn”, PGS.TS Văn chia sẻ.

Quan trọng hơn, các kỹ thuật mà nhóm nghiên cứu đề xuất có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại hệ thống robot khác nhau chứ không chỉ giới hạn ở bộ điều khiển robot của nhóm nghiên cứu, chẳng hạn như robot di động và robot bay. Ngoài ra, ProTac hoặc các liên kết robot tương tự có thể được sử dụng để cho phép robot thao tác trong môi trường lộn xộn hoặc khi hoạt động ở gần con người.

Năm 2017, PGS.TS Hồ Anh Văn gia nhập Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Nhật Bản và giúp thành lập Phòng thí nghiệm về Robot mềm. Lĩnh vực nghiên cứu của anh bao gồm robot mềm, tương tác xúc giác mềm, cảm biến xúc giác, nắm bắt và thao tác, và robot lấy cảm hứng từ sinh học. Anh có hơn 60 công bố khoa học và đã nhận được Giải thưởng Nhà nghiên cứu trẻ của IEEE Nagoya Chapter năm 2019, là người lọt vào vòng chung kết Bài báo xuất sắc nhất tại IEEE SII năm 2016 và IEEE RoboSoft năm 2020.