Khảo sát con tàu chìm sâu dưới đáy biển, di chuyển vật liệu nguy hiểm trong không gian đầy phóng xạ hay phẫu thuật cho bệnh nhân cách xa hàng nghìn kilômét là những công việc điển hình mà con người khó có mặt trực tiếp tại chỗ. Thế nhưng ngày nay, con người vẫn hoàn thành những việc này khi ngồi ở một nơi an toàn.
Bí quyết nằm ở công nghệ chuyển đôi tay và đôi mắt của con người sang một cỗ máy ở xa. Khi người điều khiển di chuyển tay cầm, cánh tay robot ở xa cũng chuyển động y hệt, còn những gì camera và cảm biến của robot nhìn thấy và cảm nhận lại được truyền về cho con người. Cách con người trực tiếp điều khiển máy móc từ khoảng cách xa như vậy được gọi là “điều khiển từ xa” (teleoperation).
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu quá trình điều khiển từ xa lần đầu hình thành trong các phòng thí nghiệm phóng xạ, các yếu tố cơ bản cấu thành nó, vấn đề độ trễ thời gian do khoảng cách gây ra, và diện mạo ngày nay của nó trong phòng mổ, dưới biển sâu và ngoài không gian.
Công nghệ nối dài bàn tay con người tới phương xa
Cánh tay máy ra đời trong phòng thí nghiệm phóng xạ
Điểm khởi đầu của robot điều khiển từ xa là nghiên cứu hạt nhân. Không thể chạm tay trần vào chất phóng xạ, nhưng để làm thí nghiệm thì vẫn phải có người gắp và di chuyển chúng một cách chính xác.
(1) Bộ thao tác chủ-tớ của Goertz
Raymond Goertz, kỹ sư cơ khí tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Mỹ, đã thiết kế vào năm 1948 một bộ thao tác có thể vận hành từ phía sau bức tường kính chì và nộp đơn xin cấp bằng sáng chế vào năm 1949. Khi người ở bên ngoài di chuyển cánh tay điều khiển, cánh tay bên trong căn phòng được che chắn sẽ làm theo đúng chuyển động đó.
(2) Truyền cả cảm giác nơi đầu ngón tay
Goertz nhận ra rằng chỉ nhìn bằng mắt thôi thì chưa đủ để xử lý những vật dễ vỡ. Vì vậy ông làm cho lực mà cánh tay bên trong chịu tác động được truyền ngược về cánh tay điều khiển, giúp con người cảm nhận bằng tay lực mình đang dùng để nắm vật. Từ năm 1954, các bộ thao tác cải tiến được sản xuất thành sản phẩm thương mại và lan rộng tới các cơ sở hạt nhân ở nhiều nước.
(3) Thiết bị được tiểu thuyết mô tả trước
Trước đó, vào năm 1942, Robert Heinlein đã mô tả một bàn tay máy bắt chước cử động tay người trong truyện ngắn “Waldo”. Về sau hình thành thói quen gọi bàn tay máy dùng để thao tác từ xa là “waldo”.
Bốn yếu tố cấu thành điều khiển từ xa
Các hệ thống điều khiển từ xa có thể khác nhau về hình dáng, nhưng khung xương thì tương tự nhau. Có phía con người và phía robot, và tín hiệu đi qua đi lại giữa hai phía để kết nối chúng.
- Thiết bị chủ (Master Device): tay cầm, cần điều khiển hoặc cánh tay điều khiển mà người vận hành trực tiếp cầm và di chuyển.
- Robot tớ (Slave Robot): robot làm việc thực tế tại hiện trường ở xa, theo chuyển động của thiết bị chủ.
- Kênh truyền thông (Communication Channel): dây dẫn, mạng cáp quang hoặc sóng vô tuyến chuyên chở lệnh và thông tin giữa hai phía.
- Phản hồi (Feedback): thông tin truyền ngược về con người, gồm hình ảnh và âm thanh tại hiện trường cùng lực mà robot chịu tác động.
Đặc biệt, phương thức truyền ngược lực mà robot chịu tác động về thiết bị chủ được gọi là điều khiển song phương (Bilateral Control). Có cảm giác này, con người mới có thể thao tác tinh tế, như chỉ dùng vừa đủ lực để không làm vỡ quả trứng.
Tiến thêm một bước, việc dùng màn hình đội đầu và thiết bị xúc giác để người điều khiển cảm thấy như đang có mặt tại hiện trường được gọi là hiện diện từ xa (Telepresence). Chính Goertz cũng đã chế tạo một màn hình đội đầu thời kỳ đầu và sớm thử nghiệm ý tưởng này.
Độ trễ thời gian do khoảng cách
Kẻ thù khó nhằn nhất của điều khiển từ xa chính là khoảng cách. Nếu tín hiệu cần thời gian để đi và về, hình ảnh con người nhìn thấy đã là khoảnh khắc trong quá khứ, và kết quả của cử động tay cũng xuất hiện muộn.
(1) Lái xe từ xa trên Mặt Trăng
Lunokhod 1 của Liên Xô năm 1970 là xe tự hành thám hiểm Mặt Trăng do các lái xe trên Trái Đất điều khiển theo thời gian thực. Ngay cả với tốc độ ánh sáng, tín hiệu đi và về cũng mất khoảng 2,5 giây, nên các lái xe phải vừa xem hình ảnh đến chậm vừa di chuyển một cách thận trọng.
(2) Khó điều khiển trực tiếp trên sao Hỏa
Tùy theo khoảng cách giữa sao Hỏa và Trái Đất, tín hiệu chỉ riêng một chiều cũng mất từ vài phút đến hơn 20 phút. Vì vậy, xe tự hành sao Hỏa hoạt động theo cách đội mặt đất lên kế hoạch trước cho công việc trong ngày rồi gửi đi, sau đó robot tự thực hiện các lệnh đã lưu.
(3) Con người đặt mục tiêu, robot lo chi tiết
Cách con người xác định mục tiêu và lộ trình, còn những động tác chi tiết như tránh chướng ngại vật thì robot tự đảm nhận, được gọi là điều khiển giám sát (Supervisory Control). Độ trễ càng dài, phần việc robot đảm nhận càng lớn.
Vào phòng mổ, xuống biển sâu và lên không gian
Ngày nay, điều khiển từ xa đã lan tới hầu hết những nơi con người khó tiếp cận. Bởi dù khoảng cách xa đến đâu hay môi trường nguy hiểm thế nào, phán đoán và tay nghề của con người vẫn có thể được gửi tới nguyên vẹn.
(1) Ca phẫu thuật vượt Đại Tây Dương
Ngày 7 tháng 9 năm 2001, nhóm của giáo sư Jacques Marescaux người Pháp đã điều khiển robot phẫu thuật từ New York (Mỹ) để cắt túi mật cho một bệnh nhân 68 tuổi ở Strasbourg (Pháp), cách đó khoảng 6.230 kilômét. Ca mổ được gọi là “Chiến dịch Lindbergh”, theo tên phi công đầu tiên một mình bay vượt Đại Tây Dương.
(2) Vùng biển thợ lặn không thể tới
Tàu lặn điều khiển từ xa sửa chữa các công trình dưới đáy biển và khảo sát tàu đắm ở những vùng biển quá sâu hoặc quá nguy hiểm để con người lặn xuống. Những tàu lặn như vậy cũng đã được dùng để khảo sát xác tàu Titanic.
(3) Đôi tay của trạm vũ trụ
Trạm Vũ trụ Quốc tế có một robot hai tay tên là Dextre, giúp các phi hành gia xử lý thiết bị bên ngoài mà không phải thực hiện những chuyến đi bộ ngoài không gian đầy rủi ro.
Điều khiển từ xa không hẳn là công nghệ để robot thay thế con người, mà đúng hơn là công nghệ nối dài đôi tay và đôi mắt của con người tới những nơi con người không thể đến. Nhờ sự hợp tác này, trong đó con người đưa ra phán đoán còn máy móc gánh chịu rủi ro, chúng ta đã có thể làm việc ở những nơi sâu hơn và xa hơn.
Kết nối giác quan của con người với thân thể của máy móc làm một, đó chính là bước đầu tiên của ngành robot học trong việc tạo ra những robot có thể làm việc từ xa.
