Cá robot có thể liên lạc trực tiếp với nhau dưới nước

Trong thế giới robot hoạt động dưới nước, những con cá robot thuộc nhóm robot đi tiên phong. Trong khi phần lớn các loại robot đại dương đòi hỏi liên lạc theo chu kỳ với các nhà khoa học hoặc vệ tinh trung gian để chia sẻ thông tin, những chú cá robot này có thể giao tiếp hợp tác với nhau.

Trong suốt 5 năm qua, Kristi Morgansen, giảng viên khí động học và du hành vũ trụ học tại ĐH Washington, đã chế tạo 3 chú Robofish có thể liên lạc với nhau dưới nước. Gần đây, tại buổi họp Liên đoàn quốc tế về Điều khiển tự động trong lĩnh vực định hướng, hướng dẫn và điều khiển của các thiết bị dưới nước, bà trình bày các kết quả cho thấy những con robot này đã hoàn thành bài kiểm tra chính đầu tiên rất thành công. Các robot được lập trình tất cả bơi về một hướng hoặc theo những hướng khác nhau, những nhiệm vụ căn bản mà có thể hình thành vật cản đối với di chuyển đồng hàng.

Thành công khi thử nghiệm trong bồn chứa trong nhà cuối cùng sẽ cung cấp nền tảng cho những hệ thống đi xuống đại dương nhằm thám hiểm môi trường đại dương sâu xa hơn. “Robot dưới nước không cần oxy. Lý do duy nhất chúng trồi lên mặt nước là để liên lạc.” Robot của Morgansen không cần trở lại mặt nước cho đến khi hoàn thành nhiệm vụ.

Trong tương lai, những robot đại dương có thể hợp tác và theo dõi các mục tiêu di động dưới nước, ví dụ như những nhóm cá voi hoặc vật gây ô nhiễm đang lan tràn, thám hiểm hang động dưới những làn nước băng giá hay trong những môi trường nguy hiểm. Đàn cá robot có thể hợp tác với nhau để thực hiện những việc mà chúng không thể làm một mình, như theo dõi các đàn động vật đông đảo hoặc sơ đồ hóa các vùng ô nhiễm có thể phát triển và thay đổi hình dạng.

Những cộng sự trong công trình này gồm nghiên cứu sinh tiến sĩ Daniel Klein và Benjaminn Triplett, ĐH Washington, ngành khí động học và vũ trụ học, Patrick Bettale ngành cơ khí. Công trình nhận hỗ trợ từ Quỹ khoa học quốc gia và Phòng nghiên cứu khoa học của Lượng lượng không quân.

Robofish có vây được thiết kế tại ĐH Washington. Đồng xu đặt trước robot nhằm so sánh kích thước của nó. (Ảnh: ĐH Washington)

Robofish có kích cỡ tương đương với một chú cá hồi nặng khoảng 4,5kg, nhìn có phần giống cá vì chúng sử dụng vây chứ không phải chân vịt. Vây khiến chúng dễ điều khiển hơn và rà soát được thấp hơn những phương tiện gắn chân vịt.

Nhưng trong khi các nhóm nghiên cứu khác cũng đang chế tạo robot giống cá, hệ thống này mới ở điểm các chú cá robot có thể liên lạc không dây dưới nước. Một lần nữa, Morgansen lại lấy các hệ thống tự nhiên làm nguồn cảm hứng. Họ hợp tác với Julia Parrish, giảng viên đào tạo Trường Khoa học về cá và đại dương, ĐH Washington, để ghi lại các mẫu hành vi của đàn cá.

“Đối với các loài động vật theo đàn, bạn có thể thu được sự phối hợp hoạt động hiệu quả hơn và hành vi linh hoạt hơn những gì chúng ta có thể làm trong ngành cơ khí kỹ thuật hiện tại. Ý tưởng của những thí nghiệm này (với đàn cá sống) là đặt câu hỏi ‘Làm thế nào chúng làm được điều đó’ và xem xem liệu chúng ta có nghĩ ra được điều gì không.”

Nhóm nghiên cứu huấn luyện cá sống phản ứng lại một kích thích bằng cách bơi đến khu vực cho ăn. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng thậm chí khi chỉ có ít hơn 1/3 số cá trong đàn được huấn luyện, cả đàn cá đều bơi đến khu vực cho ăn nhờ tín hiệu.

“Cá có suy nghĩ mạnh mẽ dường như thống trị những con không có. Điều này ẩn chứa những gì sẽ xảy ra trong một nhóm phương tiện di chuyển. Liệu có thể nào một phương tiện di chuyển khiến cho số còn lại làm điều gì đó dựa trên hành vi của nó không?”

Ngoài việc tìm ra cách tối ưu nhất để phối hợp cử động của robot, các nhà nghiên cứu đối mặt với nhiều thách thức khác trong việc khiến cho robot truyền tín hiệu qua môi trường nước. Năng lượng cần thiết để gửi thông tin qua khoảng cách xa bị cản trở vì robot chỉ có nguồn năng lượng pin giới hạn. Hơn nữa, tín hiệu có thể bị rút ngắn khi chúng phản khỏi bề mặt hoặc vật cản.

Robot gửi tín hiệu cho nhau nhờ vào các xung siêu âm tần suất thấp, hoặc sóng áp lực. Kết quả mới cho thấy chỉ khoảng một nửa lượng thông tin được nhận thành công, nhưng nhờ vào cách robot được lập trình mà chúng vẫn có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình. Robot nào có thể thực hiện độc lập hai nhóm hướng dẫn đơn giản – bơi theo một hướng hoặc theo nhiều hướng khác nhau – sẽ được dành cho những nhiệm vụ phức tạp hơn.

Hiện nay các nhà nghiên cứu đang sử dụng khả năng phối hợp của cá để thực hiện một nhiệm vụ tương tự như những gì chúng sẽ đối mặt dưới đại dương. Nhiệm vụ đầu tiên của đàn cá Robofish này sẽ là lần theo một chú cá mập đồ chơi điều khiển từ xa.