Đột phá định vị: Bản sao số giúp robot NASA tự hành không cần phi hành gia can thiệp

Minh Nguyệt
Minh Nguyệt
Phản hồi: 0

Minh Nguyệt

Intern Writer
Một chiếc bút bi thông thường sẽ chẳng thể viết được trong không gian đâu các bạn ạ. Đơn giản là vì không có trọng lực, mực bút sẽ chẳng chịu chảy ra. Cái "lỗi" nhỏ nhặt này lại minh họa cho một vấn đề đau đầu lớn trong hành trình khám phá vũ trụ: những công cụ được thiết kế cho Trái Đất thường trở nên vô dụng trong môi trường vi trọng lực. Và robot, dù có tinh vi đến mấy, cũng không phải là ngoại lệ đâu nhé.

Những chú robot tự hành bay tự do trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) thường xuyên bị mất phương hướng. Không có trọng lực để phân biệt đâu là trên, đâu là dưới, ngay cả những cảm biến chính xác nhất cũng gặp phải lỗi tích lũy, khiến các cỗ máy này cứ thế trôi dạt. Cho đến gần đây, các phi hành gia đôi khi phải tự tay can thiệp, làm gián đoạn lịch trình làm việc vốn đã dày đặc.
Screenshot-2025-12-19-at-2.17.02-PM.png

Nhưng đừng lo, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA) đã tìm ra một giải pháp cho vấn đề dai dẳng này nhờ sự hợp tác với Giáo sư Pyojin Kim và nhóm của ông tại Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (GIST). Là một chuyên gia về công nghệ định vị, tức là khoa học giúp robot xác định vị trí và hướng 3D của mình, Giáo sư Kim đã đề xuất một thuật toán giúp giảm đáng kể những lỗi này. Bằng cách giảm "lỗi xoay tuyệt đối" xuống chỉ còn khoảng 1-2 độ trung bình, nhóm nghiên cứu đã giúp robot thực hiện các nhiệm vụ dài hạn mà không cần đến sự can thiệp của con người nữa.

Mình đã có dịp trò chuyện với Giáo sư Kim để tìm hiểu xem ông đã điều chỉnh công nghệ cho vũ trụ như thế nào và đâu là bước đột phá giúp các robot của NASA luôn đi đúng hướng.

Trạm Vũ trụ Quốc tế là một phòng thí nghiệm quỹ đạo khổng lồ, có kích thước xấp xỉ một sân bóng đá. Nó được xây dựng bằng cách kết nối các module do nhiều quốc gia khác nhau phát triển. Bên trong Module Thí nghiệm Nhật Bản 'Kibo', một chú robot tự do của NASA tên là Astrobee đang làm việc rất chăm chỉ. Nhiệm vụ của Astrobee là đảm nhận các công việc thường ngày, giúp các phi hành gia rảnh tay tập trung vào nghiên cứu. Với lịch trình được sắp xếp đến từng phút, bất kỳ thời gian nào dành cho việc bảo trì đều là một sự lãng phí đáng kể đối với phi hành đoàn.

Tuy nhiên, trong thực tế hoạt động, Astrobee lại không hoàn hảo như mong đợi. Nó thường xuyên bị mất phương hướng, đòi hỏi các phi hành gia phải can thiệp để hiệu chỉnh lại. Các kỹ sư của NASA và nhóm của Giáo sư Kim đã hợp tác để tìm ra cách giúp robot hoạt động đáng tin cậy mà không cần giám sát, để các phi hành gia có thể tập trung vào nghiên cứu quan trọng.

Nguyên nhân gốc rễ của sự mất phương hướng này chính là việc thiếu trọng lực rõ rệt. Các robot trên Trái Đất thường dựa vào Bộ đo lường quán tính (IMU) để cảm nhận độ nghiêng và hướng tương đối so với vector trọng lực. Giáo sư Kim chia sẻ rằng: "Các thuật toán định vị trên Trái Đất được thiết kế dựa trên trọng lực, khiến chúng khó áp dụng trực tiếp trong không gian nơi không có các điểm tham chiếu." Kết quả là, những lỗi nhỏ tích lũy theo thời gian khiến robot hoàn toàn mất đi cảm giác về phương hướng.

Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang Định vị dựa trên thị giác (VBN), cho phép robot suy ra hướng của mình bằng cách nhìn xung quanh qua camera. Ban đầu, nhóm cho rằng chỉ cần áp dụng công nghệ đã có là đủ. Nhưng họ đã nhầm.

Bên trong trạm vũ trụ là một mớ hỗn độn gồm dây cáp, thiết bị thí nghiệm và các vật dụng cá nhân trôi nổi. Một khung cảnh vừa nhìn thấy phút trước có thể bị chặn bởi một chiếc máy tính bảng trôi dạt phút sau. Sự khó đoán này đã làm rối loạn các hệ thống định vị tiêu chuẩn. Giáo sư Kim nhớ lại: "Chúng tôi nghĩ rằng mình có thể áp dụng công nghệ dựa trên Trái Đất. Nhưng nó đã không hoạt động đáng tin cậy trong môi trường ISS."

Bước đột phá đã đến dưới dạng "bản sao kỹ thuật số" (digital twins), những bản sao 3D chính xác của không gian vật lý. Sử dụng bản thiết kế của NASA, nhóm đã xây dựng một mô hình ảo sạch sẽ của ISS, loại bỏ tất cả những vật thể lộn xộn tạm thời. Robot được lập trình để đối chiếu cảnh quay thời gian thực lộn xộn từ camera của nó với những hình ảnh nguyên sơ được tạo ra từ bản sao kỹ thuật số.

Giáo sư Kim giải thích: "Bản sao kỹ thuật số đóng vai trò là một 'sự thật cơ bản', giúp robot lọc bỏ nhiễu thị giác và hiệu chỉnh lại vị trí."

Với dữ liệu đã được hiệu chỉnh này, robot diễn giải môi trường của nó như một tập hợp các đường và mặt phẳng. Những đặc điểm hình học được trích xuất này đóng vai trò như một "la bàn thị giác", cung cấp một tham chiếu hướng tuyệt đối. Hệ thống tận dụng "Giả định Thế giới Manhattan" (Manhattan World Assumption), một nguyên tắc cho rằng các môi trường do con người tạo ra chủ yếu bao gồm các bề mặt vuông góc như tường và sàn gặp nhau ở góc vuông. Các module hình hộp của ISS là một môi trường thử nghiệm lý tưởng cho cách tiếp cận này. Bằng cách khóa vào các hình học cấu trúc này, robot có thể định vị tam giác vị trí của mình với sai số tối thiểu.

Nhóm nghiên cứu đã đạt được khả năng định vị "không trôi dạt". Sau khi áp dụng công nghệ mới, lỗi xoay trung bình đã giảm xuống còn 1,43 độ - một con số không tăng theo thời gian. Robot không còn cần đến bàn tay con người để hướng dẫn nữa.

Giáo sư Kim dự đoán rằng công nghệ này sẽ có giá trị trên Trái Đất, chứ không chỉ trong không gian. Nó có thể đóng vai trò là kim chỉ nam cho máy bay không người lái và robot trong môi trường trong nhà nơi tín hiệu GPS không thể đến được. Hệ thống này dựa vào dữ liệu hình ảnh để phát hiện các mẫu cấu trúc, làm cho nó lý tưởng cho các tòa nhà chứa đầy các đường và mặt phẳng. Giáo sư Kim lưu ý rằng: "Các kỹ thuật định hướng dựa trên các đặc điểm cấu trúc này không chỉ áp dụng được cho các trạm vũ trụ mà còn cho các khu đô thị điển hình nữa."

Nếu bạn hỏi Giáo sư Kim tại sao nhân loại nên mạo hiểm lên quỹ đạo, câu trả lời của ông thẳng thắn đến bất ngờ: "Bởi vì không gian giờ đây nắm giữ giá trị kinh tế và công nghiệp thực sự, cho thấy tiềm năng thương mại."

Với việc SpaceX chứng minh rằng không gian có thể là một lĩnh vực kinh doanh chứ không chỉ là một biên giới, một làn sóng các công ty khởi nghiệp đã xuất hiện, nhắm mục tiêu vào mọi thứ từ khai thác mặt trăng đến lắp ráp vệ tinh. Tuy nhiên, NASA vẫn là đối tác thầm lặng đằng sau sự bùng nổ của khu vực tư nhân này. Hàng thập kỷ công nghệ và tài năng tích lũy của họ tạo thành nền tảng vững chắc mà các doanh nghiệp mới này đang xây dựng.

Chính hệ sinh thái này đã thu hút Giáo sư Kim, ban đầu là một chuyên gia về máy bay không người lái, tham gia vào cuộc chơi. Hành trình của ông bắt đầu bằng một kỳ thực tập tại Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA trong thời gian học tiến sĩ. Trung tâm lúc đó đang bận rộn phát triển Astrobee. Để mô phỏng môi trường vi trọng lực, các nhà nghiên cứu đã cho robot nổi trên các bàn đệm khí bằng cách sử dụng các tia carbon dioxide, điều chỉnh ánh sáng để kiểm tra nghiêm ngặt khả năng tự định vị.

Nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với chuyên môn của Giáo sư Kim. Thời gian làm việc tại cơ quan đã cho ông thấy rằng máy bay không người lái trên Trái Đất và robot không gian có cùng một nền tảng lý thuyết, mặc dù môi trường của chúng khác nhau rất nhiều. Logic đằng sau việc lập bản đồ môi trường và xác định vị trí là phổ quát, chỉ khác nhau trong ứng dụng mà thôi.

Những mối liên hệ được tạo ra khi đó đã kéo dài gần một thập kỷ, phát triển thành nghiên cứu chung hiện tại. Giáo sư Kim bày tỏ lòng biết ơn của mình: "Nghiên cứu này sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự giúp đỡ của người cố vấn của tôi lúc đó, Tiến sĩ Brian Coltin, các đồng nghiệp tại NASA, đồng nghiệp nghiên cứu hiện tại của tôi, Tiến sĩ Ryan Soussan, và Tiến sĩ Terry Fong, người đã tạo cơ hội cho tôi thực tập và nghiên cứu chung."

Giáo sư Kim đặc biệt ấn tượng với thái độ của cơ quan đối với thất bại. Trong thời gian làm việc ở đó, ông đã chứng kiến NASA theo đuổi những thí nghiệm táo bạo, được hỗ trợ bởi ngân sách đáng kể và những tài năng xuất chúng. "Bởi vì chỉ những dự án thành công mới được công bố rộng rãi, nên có vẻ như họ không bao giờ thất bại," Giáo sư Kim nói. "Nhưng đằng sau mỗi chiến thắng công khai là hàng tá thất bại thầm lặng." Ông lưu ý rằng sức mạnh của cơ quan nằm ở sự sẵn sàng chịu đựng những thất bại đó để đạt được một bước đột phá duy nhất.

Sự tập trung vào tác động thực tế này cũng định hình các tiêu chuẩn đánh giá của họ. Ngoài các tiêu chí học thuật thông thường, NASA đặc biệt nhấn mạnh tác động thực tế và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu. Mặc dù việc nộp hai bài báo sau khi hoàn thành bằng tiến sĩ là thông lệ, nhưng một số nhà nghiên cứu chỉ nộp một, hoặc chọn chia sẻ kết quả của họ trên các máy chủ tiền in như arXiv thay vì trong các tạp chí chính thức.

"Mặc dù có bản chất bảo thủ như một cơ quan chính phủ, NASA lại cởi mở đáng ngạc nhiên trong cách tiếp cận nghiên cứu," Giáo sư Kim nhớ lại. "Tôi đã rất ấn tượng với văn hóa coi trọng giá trị nội tại và đóng góp của nghiên cứu hơn là chỉ kết quả đơn thuần."

Đầu tư bền vững vào khoa học đã mở đường cho một cơ sở hạ tầng công nghiệp rộng lớn và vô số công ty khởi nghiệp không gian do các cựu nhân viên NASA lãnh đạo. Giáo sư Kim chỉ ra hệ sinh thái mạnh mẽ của Hoa Kỳ với các nhà sản xuất chuyên về các linh kiện "đạt chuẩn không gian" có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt. Nó đã tạo ra một vòng tuần hoàn tích cực, nơi đầu tư của chính phủ nuôi dưỡng tài năng và công nghệ, thúc đẩy một làn sóng các công ty khởi nghiệp điều khiển khu vực tư nhân.

Đối với những ai khao khát gia nhập cơ quan này, Giáo sư Kim đưa ra lời khuyên dựa trên thực tế.

"Mình muốn chia sẻ với các bạn một lời khuyên thực tế nhé. Các nhà nghiên cứu mà mình gặp ở NASA đều đến từ các trường đại học hàng đầu thế giới. Nghe có vẻ sáo rỗng, nhưng các bạn phải xuất sắc trong môn toán và việc học nói chung. Mặc dù ước mơ lớn là tốt, nhưng để biến ước mơ đó thành hiện thực đòi hỏi năng lực vượt trội. Cánh cửa đến với sân khấu toàn cầu luôn rộng mở. Nếu các bạn chăm chỉ xây dựng kỹ năng, cơ hội chắc chắn sẽ đến thôi."

Bài viết này được thực hiện như một phần của Loạt bài Tác động của NASA do Popular Science Korea sản xuất.
 


Đăng nhập một lần thảo luận tẹt ga
Thành viên mới đăng
http://textlink.linktop.vn/?adslk=aHR0cHM6Ly93d3cudm5yZXZpZXcudm4vdGhyZWFkcy9kb3QtcGhhLWRpbmgtdmktYmFuLXNhby1zby1naXVwLXJvYm90LW5hc2EtdHUtaGFuaC1raG9uZy1jYW4tcGhpLWhhbmgtZ2lhLWNhbi10aGllcC43NjE5MS8=
Top