Việc nặng nhọc bỗng thành nhẹ nhàng nhờ khung trợ lực

Bạn khẽ nhấc chân lên, bộ khung cũng nhấc theo như thể đó là chuyển động tự nhiên của chính cơ thể. Khi bạn bước đi, bộ khung phản ứng theo tức thì và hỗ trợ đúng lúc, thay vì buộc người mặc phải điều khiển từng động tác.

Bộ khung trợ lực (exoskeleton) tốt nhất, đối với Daniel Ferris, Giáo sư cơ-sinh học tại Đại học Florida, Mỹ, là những bộ mà khi mặc vào bạn quên mất đang dùng đến chúng. Khi mặc một bộ như vậy, người mặc gần như không có cảm giác đang đeo thiết bị trợ lực nhưng lúc tháo ra mới đột ngột có cảm giác cơ thể nặng như đang leo dốc.

Exoskeleton, theo định nghĩa cơ bản nhất, là những thiết bị công nghệ có thể mặc hoặc đeo lên người, được thiết kế để hỗ trợ, gia tăng sức mạnh hoặc khôi phục khả năng vận động cho con người.

GS Ferris đã dành nhiều thập kỷ thiết kế các bộ khung trợ lực và chân tay giả cho người khuyết tật. Ông tin rằng chúng sẽ sớm trở thành một phần trong đời sống thường nhật.

Năm 2009, Ferris từng dự đoán táo bạo rằng "đến năm 2024, ai cũng sẽ mang những bộ khung trợ lực đi lại trên đường, trong trung tâm thương mại và ngay tại nhà mình". Ferris thừa nhận ông đã "kết luận quá sớm", nhưng tầm nhìn của ông đang ngày càng tiến gần hơn tới thực tế.

Vào thời điểm ông đưa ra dự đoán, các bộ khung trợ lực chủ yếu được thiết kế để dùng trong lâm sàng nhằm phục hồi chức năng cho người bị tổn thương tủy sống hoặc đột quỵ.

Ngày nay, các nhà nghiên cứu và startup đang phát triển chúng cho những tình huống sử dụng trong đời sống hằng ngày. Chẳng hạn, người bị viêm khớp có thể dùng một chiếc nẹp điện tử để giảm bớt áp lực lên khớp đầu gối khi di chuyển, hoặc người cao tuổi có thể đeo một bộ đai quần trợ lực (robot short) để đỡ mất sức hơn khi đi dạo hằng ngày. Nhiều thiết bị khung trợ lực khác lại được thiết kế cho những đối tượng như thanh niên muốn leo núi hoặc chạy nhanh hơn, xa hơn.

Chỉ 'trợ lực' khi cần

Trước đây, khi nói đến các bộ khung ngoài exoskeleton, người ta thường liên tưởng đến những bộ giáp kiểu Iron Man, có khả năng điều khiển và thay thế hoàn toàn nỗ lực chuyển động của con người.

Gần đây, một số nhóm nghiên cứu tiếp cận theo hướng chỉ trợ lực khi cần. Các thiết bị sẽ ước tính lực mà người đeo tự tạo ra, sau đó bù đắp thêm một phần lực còn thiếu. Nhờ vậy, người dùng vẫn chuyển động một cách tự chủ, trong khi máy móc giảm được công suất và thiết bị ít cản trở chuyển động tự nhiên hơn khi tắt.

Các nhóm nghiên cứu đã đạt được những bước tiến lớn trong việc giúp các thiết bị hỗ trợ chuyển động tự nhiên hơn. Tại Viện Công nghệ Georgia (Mỹ), các nhà khoa học đã thiết kế một bộ khung trợ lực sử dụng AI để ước tính chuyển động hông theo thời gian thực khi đi bộ, leo dốc và bước lên bậc thang khác nhau. Chúng giúp người mặc đỡ mất sức khi đi bộ. Một số nhóm đã phát triển nguyên lý này thành một hệ thống linh hoạt hơn, cho phép người dùng chuyển đổi chuyển đột ngột giữa các kiểu vận động khác nhau mà thiết bị vẫn kịp thích ứng.

Tại Đại học Michigan (Mỹ), nhà robot học Robert Gregg cũng áp dụng phương pháp tương tự cho khớp gối. Ông đang thực hiện một dự án trị giá 2 triệu USD nhằm tinh chỉnh các bộ nẹp khớp giúp giảm tải lực tác động lên khớp. Trong nghiên cứu thí điểm trên bốn người, những người tham gia cho biết họ ít bị đau hơn khi sử dụng thiết bị trong lúc đứng dậy khỏi ghế hoặc leo cầu thang.

Các bộ khung trợ lực hiện đại nhất hiện nay sử dụng cơ chế mà giới nghiên cứu gọi là "điều khiển không phụ thuộc vào tác vụ". Nghĩa là, thay vì cài sẵn một kiểu chuyển động cố định, máy sẽ liên tục đo mức độ căng của cơ bắp và khớp trong thời gian thực, từ đó tự điều chỉnh và cung cấp lực phù hợp với từng chuyển động.

Các bộ khung trợ lực làm được như vậy là nhờ hệ thống cảm biến đeo trên người theo dõi chuyển động của tay chân. Dữ liệu này sau đó được đưa vào các hệ thống học máy để tính toán mức độ trợ lực cần thiết. Gregory Sawicki, nhà nghiên cứu cơ sinh học tại Viện Công nghệ Georgia, ví nó như một "mô hình chuyển động lớn", học từ vô số dữ liệu chuyển động để thích ứng với từng người và từng kiểu vận động khác nhau.

Một số doanh nghiệp đang cố gắng đưa những sản phẩm như vậy ra thị trường. Năm ngoái, hãng giày Nike đã bắt tay với công ty robot Dephy tại Massachusetts (Mỹ) để phát triển một mẫu giày trợ lực bằng điện mang tên Project Amplify. Chúng sử dụng một động cơ, dây đai truyền động và pin sạc đeo quanh cẳng chân và bàn chân để hỗ trợ chuyển động của mắt cá chân.

Sản phẩm vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng Nike cho biết hãng dự định bán thiết bị này cho những người muốn đi bộ hoặc chạy xa hơn mà tốn ít sức hơn. Các thử nghiệm cho thấy giày trợ lực điện giúp người đeo giảm thời gian chạy từ 12 phút/dặm xuống còn 10 phút/dặm.

Nhẹ, mềm và dễ dùng hơn

Vật liệu mềm cũng đang giúp các bộ khung trợ lực trở nên giống quần áo hơn. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Heidelberg và Đại học Kỹ thuật Munich (Đức) phát triển một hệ thống có tên WalkON, gồm dây đeo qua vai, đai quanh hông và các dải đeo ở đùi, tất cả đều có thể mặc ra bên ngoài quần áo.

Thử nghiệm trên 10 người lớn tuổi cho thấy thiết bị giúp giảm 10% năng lượng cơ thể cần dùng khi đi bộ trên mặt phẳng. Trong một thử nghiệm khác, người trẻ tiêu tốn ít hơn 18% năng lượng khi đi lên dốc.

WalkON chỉ nặng chưa đến 3 kg, nhẹ hơn nhiều so với những bộ trợ lực cồng kềnh thuộc các thế hệ trước. Taylor Dick, nhà cơ học thần kinh cơ tại Đại học Queensland ở Brisbane (Úc), cho biết bà từng chứng kiến một thiết bị nặng tới 23 kg, được thiết kế để hỗ trợ người phục hồi sau đột quỵ. Khi đó, bà thốt lên với các kỹ sư rằng, "không ai có thể mặc nổi thứ này đâu".

Ở Trung Quốc, nhiều loại khung trợ lực khá nhẹ đã được các startup như Mutianyu, Badaling và Hypershell đưa vào thị trường tiêu dùng. Du khách tham quan Vạn Lý Trường Thành có thể thuê một bộ khung trợ lực chỉ nặng khoảng 1,8 đến 2,3 kg, giúp việc leo lên những bậc thang đá dốc trở nên dễ dàng hơn, với giá 14 USD trong 3 giờ.

Kinh nghiệm phát triển công nghệ hỗ trợ cho thấy tính tiện dụng quan trọng không kém mức độ tiên tiến của công nghệ. Theo Tomohiro Shibata, nhà nghiên cứu robot tại Viện Công nghệ Kyushu ở Kitakyushu (Nhật Bản), kích thước và trọng lượng của bộ khung trợ lực có thể khiến người dùng ngần ngại, tương tự việc một số người lớn tuổi không muốn dùng gậy hoặc máy trợ thính vì sợ bị kỳ thị. Chưa kể, một số bộ khung trợ lực dùng trong điều trị phải mất tới 20 phút để mặc vào và điều chỉnh, làm lãng phí đáng kể thời gian của các buổi phục hồi chức năng.

Shibata nhấn mạnh, bộ khung trợ lực phải trở thành thứ mà người dùng dễ dàng kiểm soát "như là một phần của cơ thể" mà không cần hỗ trợ chuyên môn hay bảo trì liên tục.

Điểm nghẽn giá thành

Giống như mọi sản phẩm công nghệ, giá cả ảnh hưởng lớn tới việc người tiêu dùng có chấp nhận khung trợ lực hay không.

Giá các hệ thống khung trợ lực của Mỹ/châu Âu hiện dao động trong khoảng 5.000-100.000 USD (khoảng 125 triệu đến 2,6 tỷ đồng), tùy vào tính chất, mức độ và ứng dụng (tiêu dùng, công nghiệp, y tế/phục hồi chức năng), chưa kể chi phí bảo trì, đào tạo và triển khai. Trong khi một nghiên cứu với lao động ngành khai mỏ cho thấy mức giá mà nhiều người lao động sẵn sàng chi trả chỉ khoảng vài trăm USD.

Tại Trung Quốc, giá khung trợ lực đang giảm nhanh chóng, đặc biệt ở phân khúc tiêu dùng và trợ lực đi bộ. Một số sản phẩm khung trợ lực hông, chân hiện được bán khoảng 5.000-17.000 nhân dân tệ (khoảng 20–60 triệu đồng), thấp hơn đáng kể so với các bộ khung robot y tế hoặc công nghiệp (200-300 triệu đồng).

Mức giá này cho thấy khung trợ lực đang bắt đầu rời khỏi phòng thí nghiệm để tiến gần hơn tới thị trường đại chúng, nhưng vẫn chưa đủ rẻ để trở thành thiết bị phổ thông như điện thoại hay xe đạp điện.

Rõ ràng, để khung trợ lực có thể phổ biến trên thị trường, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp không chỉ phải giải quyết những bài toán kỹ thuật, như làm cho thiết bị thông minh hơn, nhẹ hơn và dễ điều chỉnh cho nhiều người dùng, mà còn phải đưa chi phí xuống mức đủ thấp để công nghệ trở nên dễ tiếp cận.

Đối với những quốc gia đang già hóa, các thiết bị trợ lực như vậy hứa hẹn giúp người cao tuổi duy trì khả năng vận động, sống độc lập lâu hơn và qua đó giảm áp lực lên hệ thống chăm sóc xã hội. Tuy nhiên, khả năng 'trợ lực' này cũng đặt ra một câu hỏi: liệu người dùng có vận động ít đi khi đã quá quen với sự hỗ trợ của máy?

Phong Du tổng hợp