Ứng dụng robot trong tìm kiếm cứu hộ

Robot linh hoạt tìm kiếm trong đống đổ nát

Để giúp các đội cứu hộ điều hướng những công trình đổ nát này, Phòng thí nghiệm Lincoln của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), hợp tác với một nhóm nhà nghiên cứu Đại học Notre Dame, phát triển “Đơn vị quan sát robot tìm đường mềm” (SPROUT) - loại robot dây leo mềm có thể phát triển và di chuyển xung quanh chướng ngại vật và luồn qua những không gian nhỏ. Những người ứng cứu đầu tiên dễ dàng triển khai SPROUT dưới những cấu trúc bị sập để phát hiện, lập bản đồ và tìm ra những tuyến đường vào tối ưu giữa hàng đống mảnh đổ nát.

Chad Council, một thành viên của nhóm SPROUT do Nathaniel Hanson dẫn đầu, cho biết chương trình được thực hiện từ Nhóm công nghệ phục hồi của con người của phòng thí nghiệm: “Môi trường tìm kiếm và cứu hộ đô thị rất khắc nghiệt và nơi mà ngay cả công nghệ cứng rắn nhất cũng phải vật lộn để hoạt động. Cách thức hoạt động cơ bản của loại robot dây leo mềm giúp giảm bớt rất nhiều thách thức mà các nền tảng khác phải đối mặt”.

Những người ứng cứu đầu tiên thường tích hợp công nghệ, chẳng hạn như máy ảnh và cảm biến, vào quy trình làm việc của họ để hiểu rõ môi trường hoạt động phức tạp. Tuy nhiên, nhiều công nghệ trong số này có những hạn chế. Ví dụ, máy ảnh được chế tạo đặc biệt cho hoạt động tìm kiếm và cứu nạn chỉ có thể thăm dò theo đường thẳng bên trong một cấu trúc bị sập. Nếu một nhóm muốn tìm kiếm sâu hơn vào một đống đổ nát, họ cần phải cắt một lỗ tiếp cận để đến khu vực tiếp theo của không gian.

Robot rất tốt để khám phá trên đỉnh các đống đổ nát, nhưng không phù hợp để tìm kiếm trong cấu trúc chật hẹp, không ổn định và tốn kém để sửa chữa nếu bị hư hỏng. Thách thức mà SPROUT giải quyết là làm thế nào tiếp cận công trình bị sập bằng một loại robot giá rẻ, dễ vận hành, có thể mang theo camera và cảm biến và di chuyển theo những đường quanh co.

SPROUT bao gồm một ống bơm hơi làm bằng vải kín khí, bung ra từ một đế cố định. Ống bơm hơi bằng không khí và một động cơ điều khiển việc triển khai của nó. Khi ống mở rộng vào đống đổ nát, nó có thể uốn cong quanh các góc và luồn lách qua nhiều lối đi hẹp. Một camera và các cảm biến khác được gắn vào đầu ống sẽ chụp ảnh và lập bản đồ môi trường mà robot đang di chuyển. Một người điều khiển SPROUT bằng cần điều khiển, theo dõi màn hình hiển thị nguồn cấp dữ liệu camera của robot. Hiện tại, SPROUT có thể triển khai tới 3,4 mét và nhóm đang nỗ lực mở rộng nó lên 7,62 mét.

Trong khi xây dựng SPROUT, nhóm đã vượt qua một số thách thức liên quan đến tính linh hoạt của robot. Vì robot được làm bằng vật liệu biến dạng có thể uốn cong ở nhiều điểm, nên việc xác định và kiểm soát hình dạng của robot khi nó mở ra trong môi trường là rất khó khăn. Xác định chính xác cách áp dụng áp suất không khí bên trong robot giúp việc lái nó trở nên đơn giản như việc chỉ cần điều khiển về phía trước để robot di chuyển về phía trước là điều cần thiết giúp cho những người ứng phó khẩn cấp áp dụng hệ thống.

Ngoài ra, nhóm phải thiết kế ống để giảm thiểu ma sát. Trong khi hệ thống điều khiển từ xa là điểm khởi đầu tốt để đánh giá các mối nguy hiểm của không gian trống, nhóm nghiên cứu cũng đang tìm ra những cách mới để áp dụng công nghệ robot vào lĩnh vực này - chẳng hạn như sử dụng dữ liệu do robot thu thập cho phép xây dựng bản đồ các khoảng trống dưới bề mặt.

Hanson giải thích: “Sụp đổ công trình là sự kiện hiếm gặp nhưng có sức tàn phá khủng khiếp. Trong lĩnh vực robot, chúng ta thường muốn có các phép đo thực tế để xác thực phương pháp tiếp cận, nhưng những phép đo này đơn giản là không tồn tại đối với cấu trúc bị sụp đổ”. Để giải quyết vấn đề này, Hanson và nhóm của ông tạo ra một trình mô phỏng cho phép xây dựng hình ảnh chân thực về cấu trúc sụp đổ và phát triển thuật toán lập bản đồ không gian trống.

SPROUT được phát triển với sự hợp tác của Margaret Coad, một giáo sư tại Đại học Notre Dame. Khi tìm kiếm cộng tác viên, Hanson đã biết đến công trình của Coad về “robot cây nho” dùng trong công tác kiểm tra công nghiệp. Là một trong những nhà phát minh chính của robot dây leo, Giáo sư Coad mang đến chuyên môn vô giá về chế tạo và mô hình hóa các robot này. Phòng thí nghiệm Lincoln thử nghiệm SPROUT với những người ứng cứu đầu tiên tại địa điểm đào tạo của Lực lượng đặc nhiệm Massachusetts 1 ở Beverly, bang Massachusetts (Mỹ).

Những cuộc thử nghiệm cho phép nhóm nhà nghiên cứu cải thiện độ bền và khả năng di chuyển của robot đồng thời tìm hiểu cách phát triển và điều khiển robot hiệu quả hơn. Nhóm đang lên kế hoạch cho một nghiên cứu thực địa lớn hơn. Hanson báo cáo: “Các đội tìm kiếm cứu nạn đô thị và những người ứng cứu đầu tiên đóng vai trò quan trọng trong cộng đồng của họ nhưng thường có ít hoặc không có ngân sách nghiên cứu và phát triển. Chương trình này giúp chúng tôi nâng cao mức độ sẵn sàng về công nghệ của “robot cây nho” đến mức những người ứng cứu có thể tham gia vào một cuộc trình diễn thực hành về hệ thống”.

Hanson cho biết thêm rằng cảm biến trong không gian hạn chế không phải là vấn đề riêng của cộng đồng ứng phó thảm họa. Nhóm nghiên cứu hình dung công nghệ này sẽ được sử dụng để bảo trì hệ thống quân sự hoặc cơ sở hạ tầng quan trọng ở những địa điểm khó tiếp cận.

Chương trình ban đầu tập trung vào việc lập bản đồ các khoảng trống, nhưng công việc trong tương lai sẽ hướng đến việc xác định vị trí mối nguy hiểm cũng như đánh giá tính khả thi cũng như độ an toàn của mọi hoạt động thông qua đống đổ nát. Hanson kết luận: “Hiệu suất cơ học của robot có tác động ngay lập tức, nhưng mục tiêu thực sự là xem xét lại cách sử dụng cảm biến để nâng cao nhận thức tình huống cho đội cứu hộ. Cuối cùng, chúng tôi muốn SPROUT cung cấp hình ảnh hoạt động hoàn chỉnh cho đội cứu hộ trước khi bất kỳ ai bước vào đống đổ nát”.

Robot có khớp mềm giải quyết mọi địa hình và nhiệm vụ khó khăn

Hãy tưởng tượng một đàn robot nhỏ, mỗi con có kích thước bằng lòng bàn tay bạn, lan rộng khắp một cộng đồng bị cháy rừng tàn phá, lập bản đồ những khu vực bị ô nhiễm bởi vật liệu độc hại, tìm kiếm người sống sót, xác định khu vực cháy rừng lan rộng nhanh chóng. Hoặc hình dung những con robot được sử dụng để rà phá bom mìn trên chiến trường, thực hiện nhiệm vụ tìm kiếm và cứu nạn sau động đất hoặc triển khai trên trang trại để chống lại sâu bệnh và theo dõi tình trạng đất. Đó là tầm nhìn mà Markus Nemitz, Phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Tufts, đã theo đuổi trong nhiều năm và hiện nay tầm nhìn đó đang bắt đầu thành hình với việc tạo ra những robot nhỏ, đàn hồi, có khớp mềm được chế tạo bằng máy in 3D.

Nemitz cho biết: “Nghiên cứu tiến sĩ của tôi là về robot bầy đàn. Tôi sẽ phát triển thuật toán điều khiển các nhóm robot lớn, cho phép chúng chia sẻ thông tin và thay đổi hành vi dựa trên các điều kiện đang phát triển và nhu cầu nỗ lực tập thể. Nhưng tôi nhận ra rằng trong khi tôi và những người khác đang tạo ra thuật toán này để mô phỏng, thì không có hệ thống robot thực tế nào để chứng minh chúng. Tôi nghĩ, có lẽ tôi nên khắc phục vấn đề đó”.

Việc tạo ra bầy đàn thực tế gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn robot thường được coi là quá tốn kém để đưa vào thực tế. Nemitz, cùng với sinh viên tốt nghiệp Cem Aygl, thiết kế một loại robot mạnh mẽ được chế tạo gần như hoàn toàn trên máy in 3D chỉ trong vài giờ, không chỉ vượt qua rào cản về chi phí mà còn rút ngắn thời gian sản xuất để về mặt lý thuyết, người ta có thể in hàng trăm robot bằng một nhóm máy in trong 1 ngày. Ứng dụng bầy robot dự kiến diễn ra trong những môi trường khó khăn và khó lường, và một số robot có thể bị lạc hoặc hy sinh khi thực hiện nhiệm vụ tập thể.

Nemitz nói: “Chúng tôi thiết kế robot của mình bằng các thành phần mềm và cứng, thay vì chủ yếu là thành phần cứng như bạn có thể thấy trên chú chó robot ‘Spot’ của Boston Dynamics. Bạn có thể thả robot của chúng tôi từ trực thăng hoặc làm chúng bị bẹp dưới bánh xe, thế mà chúng vẫn sẽ tự nhổm lên và bước đi. Chúng đi trên đá. Chúng đi trên cát. Chúng có thể bò lên con dốc đứng. Chúng có thể xử lý nhiều môi trường khác nhau, vì vậy bây giờ chúng tôi phát triển khả năng bầy đàn thực sự rời khỏi phòng thí nghiệm và có tỉ lệ sống sót cao”.

Các chi của robot được tạo thành từ liên kết bán mềm và các khớp mềm, giống như hệ chi động vật có vú hoặc bò sát có cấu trúc xương được kết nối bằng bộ khớp mềm hơn lót sụn, cho phép một số chuyển động vượt ra ngoài một mặt phẳng quay duy nhất. Bằng cách chỉ định nhiều vật liệu có độ mềm khác nhau cho các liên kết, robot trở nên đàn hồi hơn với tác động vật lý. Robot hoàn toàn cứng, một số trong số chúng khá nhanh nhẹn, tuy nhiên phải thực hiện nhiều lần điều chỉnh nhanh đột ngột ở nhiều chi để giữ thăng bằng khi hạ cánh trên địa hình không bằng phẳng và khó lường. Loại robot kết hợp khớp mềm có kiểu chuyển động uyển chuyển hơn khi di chuyển trên địa hình, dễ dàng thích nghi với sự không bằng phẳng của bề mặt. Máy in có khả năng phân phối nhiều vật liệu, do đó cả những thành phần bán mềm và mềm đều được chế tạo đồng thời. Những thiết bị điện tử được thêm vào thủ công giữa quá trình in, nhưng bước đó cũng có thể được tự động hóa.

Nemitz chia sẻ: “Khi đã có những robot này, chúng tôi cũng có thể tùy chỉnh chúng, vì mỗi hoạt động có thể có những điều kiện mới lạ. Bạn có thể nhớ rằng vào năm 2018, có một đội bóng đá bị mắc kẹt trong hệ thống hang động Tham Luang Nang Non ở Thái Lan. Không có hệ thống robot nào có thể tiếp cận họ vì sự kết hợp của các kênh hẹp, bề mặt đá và môi trường dưới nước. Về mặt lý thuyết, người ta có thể nhanh chóng in ra những con robot có tính năng kết hợp mới lạ, cho phép điều hướng trong những môi trường phức tạp này nhằm chuyển tải thông điệp và vật tư”.

Nemitz và phòng thí nghiệm của ông đã làm việc song song về những ứng dụng cụ thể cho hoạt động rà phá bom mìn và giám sát môi trường - bao gồm theo dõi tình trạng thay đổi và vị trí của sông băng.