Cobra: Robot thám hiểm Mặt trăng kiểu mới
Những sinh viên chiến thắng trong một cuộc thi của NASA đã thiết kế một robot hình dạng rắn có thể trườn bò trên bề mặt Mặt trăng và tự biến đổi để lăn xuống dốc.
Mỗi năm NASA lại tổ chức thử thách ý tưởng lớn, đặt ra một đề bài nhằm giải quyết vấn đề kỹ thuật “hóc búa” mà cơ quan này cần giải quyết. Vào mùa thu năm 2021, sinh viên từ các trường đại học trên khắp Hoa Kỳ đã lao vào thiết kế những con robot có thể sống sót qua địa hình khắc nghiệt trên Mặt trăng và gửi dữ liệu về Trái đất. Chiến thắng đã gọi tên các sinh viên từ câu lạc bộ Sinh viên Khám phá và Phát triển Không gian của Đại học Northeastern (Boston). Họ hy vọng sẽ biến thiết kế của mình thành một thiết bị tiên tiến thực sự có thể được gửi lên mặt trăng.
Từ khoản tiền 180.000 USD do NASA đầu tư, các sinh viên tập trung vào việc thiết kế một robot có thể điều hướng trên Miệng hố Shackleton — một lòng chảo rộng 13 dặm gần cực Nam mặt trăng nơi NASA xác nhận có dấu hiệu của nước đóng băng vào năm 2018. Nước có rất nhiều trên Trái đất nhưng lại vô cùng khan hiếm bên ngoài bầu khí quyển của chúng ta. Con người cần nước để tồn tại, nhưng nó cực kỳ nặng, và việc vận chuyển nó đi xa 240.000 dặm sẽ tiêu tốn nhiều tiền của. Vì vậy, nước đóng băng sẽ là một nguồn tài nguyên quý giá để hiện thực hoá sứ mệnh Artemis của NASA – tìm cách thiết lập một căn cứ trên Mặt trăng.
Tuy nhiên, trước khi NASA có thể khai thác nguồn nước này cho các nhiệm vụ phi hành đoàn, họ cần xác nhận con số chính xác về lượng nước ở các khu vực khác nhau trên bề mặt Mặt trăng và thành phần hóa học của nó là gì. Không dễ để thu thập dữ liệu từ miệng hố sâu 2 dặm. Thứ nhất, đáy hố chìm trong bóng tối vĩnh viễn, đồng nghĩa với việc nhiệt độ dao động hàng trăm độ dưới mức đóng băng. Thứ hai, góc nghiêng của sườn dốc là 30,5 độ, dốc hơn đỉnh Everest. Thứ ba, Mặt trăng toàn cát. Bất kỳ robot nào muốn băng qua địa hình này sẽ phải sống sót qua nhiệt độ lạnh thấu xương, đi xuống dốc cheo leo và môi trường khắc nghiệt.
Các sinh viên đã thử nghiệm đủ loại robot, từ robot nhảy, đi bằng chân và lăn tròn, giống như các xe tự hành đang được sử dụng trên sao Hỏa. Nhưng robot lăn sẽ chìm trong lớp đất mặt và không thể di chuyển an toàn trên địa hình dốc như hố Shackleton. Robot có chân cũng bị lún và hoạt động kém ổn định hơn trong môi trường cát. Robot nhảy sẽ gặp khó khăn khi phóng và rất khó để hạ cánh mà không bị hư hại hoặc bị mắc kẹt. “Chúng tôi đã xem xét toàn bộ các ý tưởng thiết kế robot khác nhau, và rồi tự hỏi liệu có cách nào để chúng tôi có thể kết hợp các chuyển động khác nhau không?” Yash Bhora, một sinh viên chuyên ngành Vật lý, người phụ trách xây dựng phần mềm trong nhóm, nhớ lại.
Bhora và các đồng đội của mình đã xem xét một robot lăn, nó có thể khai thác một phần lực hấp dẫn của Mặt trăng để tự đẩy bản thân xuống miệng hố hiệu quả hơn. Nhưng một khi nó chạm đáy, nó sẽ cần một loại chức năng khác, Matthew Schroeter, trưởng nhóm, người đã tốt nghiệp trường Northeastern năm 2022 và hiện đang làm việc tại Honeybee Robotics, cho biết.
Họ quyết định thiết kế robot có hình dáng dài giống rắn, được tạo thành từ nhiều buồng kết nối với nhau, có thể uốn lượn, di chuyển trườn bò trên mặt đất. Sau đó khi đến miệng hố, nó sẽ tự nối phần đuôi và đầu lại thành vòng tròn như bánh xe và lăn xuống. Họ đặt tên cho nó là Cobra. Để bắt đầu, các sinh viên đã chế tạo một “Mini Cobra”, chỉ dài dưới 2 feet và nặng 5 pound, bằng khoảng một phần ba kích thước của thiết kế cuối cùng. Nó được làm từ 11 đơn vị sợi carbon và nylon liên kết với nhau. Mỗi buồng chứa một bộ truyền động chạy bằng pin — về cơ bản là một động cơ — có thể biến các lệnh từ máy tính bo mạch đơn Raspberry Pi trong đầu rắn thành chuyển động. Bởi vì nó là mô-đun, nó có thể được điều khiển trườn theo kiểu rắn để điều hướng trên các khu vực bằng phẳng, đầy cát như đáy miệng núi lửa và chuyển đổi thành một bánh xe lục giác có thể lăn xuống các sườn dốc.
Đuôi của Cobra được thiết kế để chứa một máy quang phổ neutron nhỏ, có thể đo sự thay đổi năng lượng của neutron trên bề mặt mặt trăng và xác định hydro, và do đó có thể phát hiện nước, sâu bên trong Miệng hố Shackleton. Nhóm cũng đã trang bị cho robot cảm biến radar và một thiết bị đo lường quán tính để người điều khiển có thể theo dõi chuyển động, tốc độ và vị trí của Cobra khi nó lăn và trườn xung quanh.
Để kiểm tra các chức năng này, nhóm đã cho Mini Cobra di chuyển xuống các bến tàu bốc hàng và qua các bãi đậu xe xung quanh khuôn viên trung tâm thành phố Boston của Northeastern. Họ gặp phải khó khăn trong việc điều chỉnh cơ chế chốt kết nối đầu và đuôi của Cobra khi nó chuyển sang chế độ lăn tròn. Đôi khi nó sẽ chốt quá mạnh, gây hỏng dây hoặc mất kết nối. Bhora đã làm việc đến phút cuối cùng để khắc phục sự cố trong phần mềm của robot và cuối cùng đã đưa ra một quy trình gồm hai bước để ngăn robot lắc lư lỏng lẻo và tạo ra một chốt an toàn.
Kỷ nguyên mới cho robot không gian
Vào tháng 11, nhóm đã đến Sa mạc Mojave của California để trình diễn Cobra ở địa hình giống với những gì robot sẽ phải di chuyển trên mặt trăng. Họ đối đầu với sáu đội khác, những người đã mang đến robot có chân, robot có bánh xe, robot xuống địa hình dốc trên dây cáp và thiết kế giống như Lego của MIT có thể biến đổi thành nhiều hình dạng. Đến lượt Cobra thi đấu, đầu và đuôi của nó gắn chặt lại với nhau thành một vòng tròn và tự lăn xuống một ngọn đồi dốc, phía sau là tiếng reo hò cổ vũ của cả đội. Nó luồn lách vào một bụi cây ngải đắng nào đó, nhưng những người điều khiển đã điều hướng nó ra khỏi bụi gai và đưa nó đi tiếp. Nhóm đã thể hiện thành công tất cả các phần và mang về Giải thưởng Artemis, danh hiệu lớn nhất của cuộc thi.
Những người chiến thắng của các năm trước thường vẫn tiếp tục phát triển thêm công nghệ của họ và một vài trong số đó thậm chí còn đang được xem xét để tích hợp vào các nhiệm vụ sắp tới của NASA. Đôi khi, các dự án bị trì hoãn sau khi các thành viên trong nhóm tốt nghiệp đại học. Theo Kevin Kempton thuộc Chương trình Phát triển Trò chơi của NASA, một trong những giám khảo chính của cuộc thi, điều đó phụ thuộc vào động lực của các thành viên trong nhóm. “Tôi cố gắng động viên các đội”, Kempton nói. “NASA luôn tìm kiếm các thiết bị có chi phí thấp.”
Với trường hợp của Cobra, hầu hết các thành viên của nhóm là sinh viên chưa tốt nghiệp vẫn đang hoạt động trong câu lạc bộ thám hiểm không gian và họ muốn hoàn thiện ý tưởng để sẵn sàng cho một sứ mệnh thực sự trên mặt trăng. Điều đó sẽ cần nhiều nỗ lực. Hầu hết các thành phần của Cobra là vật liệu in 3D không thể tồn tại trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt ở các cực của Mặt trăng, nơi các vành miệng hố bị mặt trời nung nóng, còn đáy hố sâu thì lạnh lẽo. Các thành phần của Cobra sẽ phải được chế tạo từ các kim loại chắc chắn, như titan, có thể chịu được sự thay đổi nhiệt độ và áp suất đột ngột cũng như chống ăn mòn.
Trong điều kiện ở sa mạc California, sinh viên chỉ đứng cách robot vài bước chân để điều khiển. Nhưng các tín hiệu mất khoảng ba giây để truyền từ bề mặt Trái đất đến Mặt trăng và ngược lại, một độ trễ đòi hỏi các hệ thống phải có một số khả năng tự ra quyết định.
“Tôi luôn nói với các sinh viên của mình, một thứ gì đó vô dụng trên Trái đất không có nghĩa là nó vô dụng trên mặt trăng hay sao Hỏa”, Alireza Ramezani, cố vấn khoa của nhóm và là giáo sư kỹ thuật tại Northeastern, cho biết. Một nhóm các nghiên cứu sinh tiến sĩ hiện đang xem xét cách thức phát triển khả năng tự chủ cho hệ thống Cobra và họ đã nhận được đề xuất từ các công ty chế tạo robot tư nhân quan tâm đến việc hợp tác để phát triển thêm dự án. Các sinh viên cũng sẽ tranh thủ sự giúp đỡ từ Viện Robot Trải nghiệm của trường đại học để phát triển Cobra thành một hệ thống hoàn thiện, sẵn sàng đi vào không gian.
Ramezani chuyên nghiên cứu về robot lấy cảm hứng từ sinh học và đã thiết kế robot Leonardo vào năm 2019. Thiết bị giống như loài chim này vừa đi vừa bay lượn — và thậm chí có thể trượt ván — áp dụng hai chế độ vận động để tự ổn định trên địa hình gồ ghề. Ông cho biết mình rất vui khi thấy NASA xác nhận tiềm năng của các thiết kế robot đa phương thức mới, chẳng hạn như Ingenuity, máy bay trực thăng năng lượng mặt trời robot nhỏ hoạt động trên Sao Hỏa trong nhiệm vụ Mars 2020 của NASA. Vào ngày 19/4/2021, trực thăng đã thực hiện thành công chuyến bay có điều khiển bằng động cơ đầu tiên trên Sao Hoả.
“Tất cả những điều này cho thấy chúng ta đang chứng kiến một kỷ nguyên mới của việc thiết kế robot không gian”, ông bày tỏ sự phấn khởi trước các hệ thống có thể chuyển từ chế độ di chuyển này sang chế độ di chuyển khác để đáp ứng mọi nhiệm vụ trong sứ mệnh. “Tôi nghĩ chúng ta sẽ còn thấy nhiều robot thú vị hơn nữa.”
Đinh Cửu tổng hợp
Nguồn:
Rovers Are So Yesterday. It’s Time to Send a Snakebot to Space
Northeastern students designed a snake robot that could help NASA find water on the moon
