Thảo Nông
Writer
Không chỉ đơn thuần là tốc độ, robot Purdubik’s Cube là sự kết hợp của hệ thống camera siêu tốc độ phân giải thấp, một khối Rubik được tùy chỉnh độ bền và kỹ thuật giải đặc biệt "cắt góc" của dân chơi speed cube chuyên nghiệp, bỏ xa kỷ lục 0,305 giây trước đó của Mitsubishi.
Khối lập phương Purdubik do một học sinh chế tạo đã lập Kỷ lục Guinness thế giới mới khi giải khối Rubik chỉ trong 0,103 giây. Ảnh: Matthew Patrohay / Đại học Purdue
Purdubik’s Cube: Kỷ lục mới và cuộc "chạy đua vũ trang" của robot giải Rubik
Một nhóm sinh viên từ Đại học Purdue (Mỹ) vừa chính thức ghi tên mình vào Sách Kỷ lục Guinness Thế giới với một thành tích đáng kinh ngạc: robot do họ tự chế tạo, mang tên Purdubik’s Cube, đã giải một khối Rubik tiêu chuẩn chỉ trong vỏn vẹn 0,103 giây. Con số này nhanh hơn khoảng ba lần so với kỷ lục 0,305 giây do robot của Mitsubishi Electric (Nhật Bản) thiết lập vào tháng 5 năm ngoái.
Cuộc "chạy đua vũ trang" của các robot giải Rubik thực sự bắt đầu vào năm 2014, khi một robot có tên Cubestormer 3, được chế tạo từ các bộ phận Lego Mindstorms và một chiếc điện thoại Samsung Galaxy S4, đã giải khối xếp hình biểu tượng này trong 3,253 giây – nhanh hơn bất kỳ con người hay robot nào vào thời điểm đó. (Hiện tại, kỷ lục thế giới giải Rubik của con người thuộc về Xuanyi Geng với thành tích 3,05 giây). Trong suốt một thập kỷ, các kỹ sư trên toàn thế giới đã liên tục cải tiến và giảm thời gian kỷ lục xuống chỉ còn vài trăm mili giây.
Trước khi nhóm sinh viên Đại học Purdue – bao gồm Junpei Ota, Aden Hurd, Matthew Patrohay, và Alex Berta từ Trường Kỹ thuật Điện và Máy tính Elmore Family – phá kỷ lục, nhiều người nghĩ rằng việc đưa thời gian giải Rubik của robot xuống dưới nửa giây đã là một giới hạn khó vượt qua, đòi hỏi phải từ bỏ các bộ phận Lego và chuyển sang sử dụng các linh kiện tối ưu hóa như động cơ công nghiệp. Tuy nhiên, để đạt được con số 0,103 giây, đội Purdue đã phải tìm ra nhiều cách tiếp cận mới mẻ để cắt giảm từng mili giây quý giá.
"Mỗi robot của những người nắm giữ kỷ lục thế giới trước đây thường tập trung vào một cải tiến mới," Matthew Patrohay chia sẻ với The Verge. Khi các sinh viên cao học MIT phá kỷ lục vào năm 2018, họ đã chọn phần cứng công nghiệp vượt trội. Mitsubishi Electric lại chọn các động cơ điện phù hợp hơn cho nhiệm vụ xoay các mặt của khối Rubik, thay vì chỉ đơn thuần là phần cứng di chuyển nhanh hơn.
Bí mật đằng sau tốc độ "không tưởng" của Purdubik’s Cube:
Máy ảnh Flir tốc độ cao của Purdubik's Cube sử dụng ống kính góc rộng và Rubik's Cube chỉ xuất hiện trong một vùng rất nhỏ trong trường nhìn của chúng. Hệ thống phát hiện màu dựa trên hình ảnh có độ phân giải thấp của câu đố, giúp tăng tốc thời gian xử lý. Ảnh: Matthew Patrohay / Đại học Purdue
Liệu kỷ lục có thể bị phá sâu hơn nữa?
Patrohay tin rằng Purdubik’s Cube có thể phá kỷ lục một lần nữa, nhưng điều đó sẽ cần một khối Rubik mạnh hơn, được làm từ vật liệu khác ngoài nhựa. "Nếu bạn tạo ra một khối Rubik hoàn toàn dành riêng cho ứng dụng, làm từ một loại vật liệu composite sợi carbon nào đó, thì tôi có thể tưởng tượng bạn có thể 'sống sót' ở tốc độ cao hơn, và chỉ cần có thể 'sống sót' ở tốc độ cao hơn là bạn đã có thể giảm thời gian xuống."
Thành công của nhóm sinh viên Purdue không chỉ là một kỷ lục mới mà còn là minh chứng cho sự sáng tạo, kiến thức kỹ thuật và tinh thần đồng đội, cho thấy những giới hạn tưởng chừng không thể vượt qua vẫn có thể bị phá vỡ bằng những ý tưởng đột phá và sự kiên trì.
Khối lập phương Purdubik do một học sinh chế tạo đã lập Kỷ lục Guinness thế giới mới khi giải khối Rubik chỉ trong 0,103 giây. Ảnh: Matthew Patrohay / Đại học Purdue
Purdubik’s Cube: Kỷ lục mới và cuộc "chạy đua vũ trang" của robot giải Rubik
Một nhóm sinh viên từ Đại học Purdue (Mỹ) vừa chính thức ghi tên mình vào Sách Kỷ lục Guinness Thế giới với một thành tích đáng kinh ngạc: robot do họ tự chế tạo, mang tên Purdubik’s Cube, đã giải một khối Rubik tiêu chuẩn chỉ trong vỏn vẹn 0,103 giây. Con số này nhanh hơn khoảng ba lần so với kỷ lục 0,305 giây do robot của Mitsubishi Electric (Nhật Bản) thiết lập vào tháng 5 năm ngoái.
Cuộc "chạy đua vũ trang" của các robot giải Rubik thực sự bắt đầu vào năm 2014, khi một robot có tên Cubestormer 3, được chế tạo từ các bộ phận Lego Mindstorms và một chiếc điện thoại Samsung Galaxy S4, đã giải khối xếp hình biểu tượng này trong 3,253 giây – nhanh hơn bất kỳ con người hay robot nào vào thời điểm đó. (Hiện tại, kỷ lục thế giới giải Rubik của con người thuộc về Xuanyi Geng với thành tích 3,05 giây). Trong suốt một thập kỷ, các kỹ sư trên toàn thế giới đã liên tục cải tiến và giảm thời gian kỷ lục xuống chỉ còn vài trăm mili giây.
Trước khi nhóm sinh viên Đại học Purdue – bao gồm Junpei Ota, Aden Hurd, Matthew Patrohay, và Alex Berta từ Trường Kỹ thuật Điện và Máy tính Elmore Family – phá kỷ lục, nhiều người nghĩ rằng việc đưa thời gian giải Rubik của robot xuống dưới nửa giây đã là một giới hạn khó vượt qua, đòi hỏi phải từ bỏ các bộ phận Lego và chuyển sang sử dụng các linh kiện tối ưu hóa như động cơ công nghiệp. Tuy nhiên, để đạt được con số 0,103 giây, đội Purdue đã phải tìm ra nhiều cách tiếp cận mới mẻ để cắt giảm từng mili giây quý giá.
"Mỗi robot của những người nắm giữ kỷ lục thế giới trước đây thường tập trung vào một cải tiến mới," Matthew Patrohay chia sẻ với The Verge. Khi các sinh viên cao học MIT phá kỷ lục vào năm 2018, họ đã chọn phần cứng công nghiệp vượt trội. Mitsubishi Electric lại chọn các động cơ điện phù hợp hơn cho nhiệm vụ xoay các mặt của khối Rubik, thay vì chỉ đơn thuần là phần cứng di chuyển nhanh hơn.
Bí mật đằng sau tốc độ "không tưởng" của Purdubik’s Cube:
- "Nhìn" Rubik siêu tốc bằng camera độ phân giải thấp:
Điều đầu tiên mà nhóm sinh viên Purdue cải thiện chính là tốc độ mà robot của họ có thể "nhìn" và phân tích trạng thái xáo trộn của khối Rubik. Khác với người chơi speed cube được phép nghiên cứu khối Rubik trước khi đồng hồ bấm giờ bắt đầu, kỷ lục của robot tính cả thời gian cần thiết để xác định vị trí của tất cả các ô màu.
Nhóm đã sử dụng một cặp camera quan sát máy tốc độ cao của Flir, với độ phân giải chỉ 720x540 pixel, hướng vào hai góc đối diện của khối Rubik. Mỗi camera có thể nhìn thấy ba mặt cùng một lúc trong thời gian phơi sáng cực ngắn, chỉ khoảng 10 micro giây.
Hệ thống nhận diện hình ảnh tùy chỉnh của Purdubik’s Cube bỏ qua hoàn toàn quá trình xử lý hình ảnh phức tạp. Nó chỉ tập trung vào một vùng rất nhỏ mà cảm biến của mỗi camera nhìn thấy – một vùng cắt (cropped region) có kích thước chỉ 128x124 pixel – để giảm lượng dữ liệu cần di chuyển và xử lý. Dữ liệu thô từ cảm biến được gửi thẳng đến một hệ thống nhận diện màu sắc tốc độ cao, sử dụng các phép đo RGB từ những vùng lấy mẫu thậm chí còn nhỏ hơn trên mỗi ô vuông để xác định màu sắc nhanh hơn bất kỳ phương pháp nào khác, kể cả AI.
"Đôi khi nó kém tin cậy hơn một chút," Patrohay thừa nhận, "nhưng ngay cả khi nó nhất quán 90%, điều đó vẫn đủ tốt miễn là nó nhanh. Chúng tôi thực sự muốn tốc độ đó." - Thuật toán giải Rubik tối ưu và kỹ thuật "cắt góc" (Corner Cutting):
Dù phần lớn phần cứng trên robot của Purdue là hàng "thửa", nhóm đã chọn sử dụng một phần mềm hiện có để tìm ra cách giải khối Rubik bị xáo trộn nhanh nhất. Họ đã dùng thuật toán Rob-Twophase của Elias Frantar, một thuật toán giải Rubik có tính đến các khả năng độc đáo của robot, chẳng hạn như khả năng xoay hai mặt của khối Rubik cùng một lúc.
Nhóm cũng đã tận dụng một kỹ thuật giải Rubik phổ biến trong giới speed cuber gọi là "cắt góc" (corner cutting). Kỹ thuật này cho phép bạn bắt đầu xoay một mặt của khối Rubik trước khi bạn hoàn thành việc xoay một mặt khác vuông góc với nó. Ưu điểm là bạn không phải đợi một mặt hoàn thành hoàn toàn vòng quay của nó trước khi bắt đầu một mặt khác. Trong một khoảnh khắc ngắn, có sự chồng chéo giữa các chuyển động của hai mặt, điều này có thể giúp tiết kiệm một lượng thời gian đáng kể. - Khối Rubik tùy chỉnh siêu bền và siêu căng:
Thách thức của kỹ thuật "cắt góc" là nếu bạn dùng lực quá mạnh (điều mà robot hoàn toàn có khả năng) và không định thời gian một cách hoàn hảo, bạn có thể làm gãy hoặc thậm chí phá hủy hoàn toàn một khối Rubik tiêu chuẩn. Ngoài việc hoàn thiện thời gian của các chuyển động của robot và gia tốc của động cơ, các sinh viên còn phải tùy chỉnh chính khối Rubik.
Sách Kỷ lục Guinness Thế giới tuân theo hướng dẫn của Hiệp hội Rubik Thế giới (WCA), cho phép các đối thủ cạnh tranh sửa đổi khối Rubik của họ, miễn là nó xoay và quay như một khối Rubik tiêu chuẩn. Để cải thiện độ bền, nhóm Purdue đã nâng cấp cấu trúc bên trong của khối Rubik bằng một phiên bản in 3D tùy chỉnh làm từ nhựa nylon SLS cứng hơn.
Điều thú vị là WCA cho phép sử dụng chất bôi trơn để giúp các khối Rubik quay trơn tru hơn, nhưng ở đây nó được sử dụng với một lý do khác. "Khối Rubik chúng tôi sử dụng cho kỷ lục được siết cực kỳ chặt, gần như là chặt đến mức buồn cười," Patrohay nói. "Cái mà chúng tôi đã sửa đổi rất khó xoay. Không phải là không thể, nhưng bạn không thể xoay nó bằng ngón tay. Bạn phải dùng cả cổ tay." Khi giải khối Rubik ở tốc độ cao, chất bôi trơn giúp làm mượt các chuyển động của nó trong khi độ căng tăng lên giúp giảm việc xoay quá đà và cải thiện khả năng kiểm soát, cho phép sử dụng các thủ thuật tiết kiệm thời gian như cắt góc. - Điều khiển động cơ tối ưu:
Purdubik’s Cube sử dụng sáu động cơ servo được gắn vào các trục kim loại tùy chỉnh, cắm vào tâm của mỗi mặt khối Rubik.5 Sau khi thử nghiệm nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau, nhóm đã chọn một cấu hình chuyển động hình thang (trapezoidal motion profile). Theo đó, các động cơ servo tăng tốc với tốc độ lên đến 12.000.000 độ/giây vuông, nhưng giảm tốc chậm hơn nhiều, gần 3.000.000 độ/giây vuông, để robot có thể định vị chính xác từng mặt khi nó dừng lại.
Máy ảnh Flir tốc độ cao của Purdubik's Cube sử dụng ống kính góc rộng và Rubik's Cube chỉ xuất hiện trong một vùng rất nhỏ trong trường nhìn của chúng. Hệ thống phát hiện màu dựa trên hình ảnh có độ phân giải thấp của câu đố, giúp tăng tốc thời gian xử lý. Ảnh: Matthew Patrohay / Đại học Purdue
Liệu kỷ lục có thể bị phá sâu hơn nữa?
Patrohay tin rằng Purdubik’s Cube có thể phá kỷ lục một lần nữa, nhưng điều đó sẽ cần một khối Rubik mạnh hơn, được làm từ vật liệu khác ngoài nhựa. "Nếu bạn tạo ra một khối Rubik hoàn toàn dành riêng cho ứng dụng, làm từ một loại vật liệu composite sợi carbon nào đó, thì tôi có thể tưởng tượng bạn có thể 'sống sót' ở tốc độ cao hơn, và chỉ cần có thể 'sống sót' ở tốc độ cao hơn là bạn đã có thể giảm thời gian xuống."
Thành công của nhóm sinh viên Purdue không chỉ là một kỷ lục mới mà còn là minh chứng cho sự sáng tạo, kiến thức kỹ thuật và tinh thần đồng đội, cho thấy những giới hạn tưởng chừng không thể vượt qua vẫn có thể bị phá vỡ bằng những ý tưởng đột phá và sự kiên trì.
