Robot cạn kiệt năng lượng trước khi hết việc để làm
05:00 sáng ngày 7 tháng 6 theo giờ Nhật Bản
Tác giả: James PikulMADISON, Wisconsin
Đầu năm nay, một robot đã hoàn thành cuộc chạy bán marathon ở Bắc Kinh chỉ trong vòng chưa đầy 2 giờ 40 phút. Chậm hơn so với người chiến thắng là con người, người đã hoàn thành cuộc chạy trong hơn một giờ - nhưng đây vẫn là một kỳ tích đáng chú ý. Nhiều người chạy bộ giải trí sẽ tự hào về thời gian đó. Robot đã duy trì tốc độ của mình trong hơn 13 dặm (21 km).
Nhưng nó đã không làm được như vậy chỉ với một lần sạc. Trên đường đi, robot đã phải dừng lại và thay pin ba lần. Chi tiết đó, mặc dù dễ bị bỏ qua, nhưng lại nói lên rất nhiều điều về một thách thức sâu sắc hơn trong ngành robot: năng lượng.
Robot hiện đại có thể di chuyển với sự nhanh nhẹn đáng kinh ngạc, bắt chước chuyển động của động vật và thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với độ chính xác cơ học. Theo nhiều cách, chúng có thể sánh ngang với sinh học về khả năng phối hợp và hiệu quả. Nhưng khi nói đến sức bền, robot vẫn còn kém xa. Chúng không mệt mỏi vì gắng sức – chúng chỉ hết năng lượng.
Là một nhà nghiên cứu robot tập trung vào hệ thống năng lượng, tôi nghiên cứu kỹ thách thức này. Làm thế nào các nhà nghiên cứu có thể cung cấp cho robot sức mạnh bền bỉ của các sinh vật sống – và tại sao chúng ta vẫn còn rất xa mục tiêu đó? Mặc dù hầu hết các nghiên cứu về robot về vấn đề năng lượng đều tập trung vào pin tốt hơn, nhưng vẫn còn một khả năng khác: Chế tạo robot có thể ăn.
Robot di chuyển tốt nhưng hết hơi
Robot hiện đại có khả năng di chuyển đáng kinh ngạc. Nhờ nhiều thập kỷ nghiên cứu về cơ sinh học, điều khiển động cơ và truyền động, các máy móc như Spot và Atlas của Boston Dynamics có thể đi bộ, chạy và leo trèo với sự nhanh nhẹn mà trước đây dường như không thể đạt được. Trong một số trường hợp, động cơ của chúng thậm chí còn hiệu quả hơn cả cơ bắp của động vật.
Nhưng sức bền lại là một vấn đề khác. Ví dụ, Spot chỉ có thể hoạt động trong 90 phút khi sạc đầy. Sau đó, cần gần một giờ để sạc lại. Thời gian chạy này kém xa so với ca làm việc kéo dài từ tám đến 12 giờ của công nhân con người – hoặc sức bền kéo dài nhiều ngày của chó kéo xe trượt tuyết.
Vấn đề không phải là cách robot di chuyển mà là cách chúng lưu trữ năng lượng. Hầu hết các robot di động ngày nay đều sử dụng pin lithium-ion, cùng loại pin có trong điện thoại thông minh và ô tô điện. Những loại pin này đáng tin cậy và có sẵn rộng rãi, nhưng hiệu suất của chúng cải thiện chậm: Mỗi năm, pin lithium-ion mới tốt hơn khoảng 7% so với thế hệ trước. Với tốc độ đó, phải mất cả thập kỷ để tăng gấp đôi thời gian chạy của robot.
Động vật lưu trữ năng lượng trong chất béo, đây là loại năng lượng cực kỳ dày đặc: gần 9 kilowatt-giờ trên một kilôgam. Tổng cộng khoảng 68 kWh trong một chú chó kéo xe trượt tuyết, tương tự như năng lượng trong một chiếc Tesla Model 3 được sạc đầy. Ngược lại, pin lithium-ion chỉ lưu trữ một phần nhỏ trong số đó, khoảng 0,25 kilowatt-giờ trên một kilôgam. Ngay cả với động cơ hiệu suất cao, một robot như Spot sẽ cần một loại pin mạnh hơn hàng chục lần so với loại hiện nay để có thể chịu được sức bền của một chú chó kéo xe trượt tuyết.
Và sạc lại không phải lúc nào cũng là một lựa chọn. Trong các vùng thảm họa, cánh đồng xa xôi hoặc trong các nhiệm vụ kéo dài, ổ cắm trên tường hoặc pin dự phòng có thể không thấy đâu.
Trong một số trường hợp, các nhà thiết kế robot có thể thêm nhiều pin hơn. Nhưng nhiều pin hơn có nghĩa là trọng lượng lớn hơn, làm tăng năng lượng cần thiết để di chuyển. Trong các robot có khả năng di chuyển cao, có sự cân bằng cẩn thận giữa tải trọng, hiệu suất và độ bền. Ví dụ, đối với Spot, pin đã chiếm 16% trọng lượng của nó.
Một số robot đã sử dụng tấm pin mặt trời và về mặt lý thuyết, chúng có thể kéo dài thời gian chạy, đặc biệt là đối với các nhiệm vụ công suất thấp hoặc trong môi trường sáng, nhiều nắng. Nhưng trên thực tế, năng lượng mặt trời cung cấp rất ít năng lượng so với những gì robot di động cần để đi bộ, chạy hoặc bay ở tốc độ thực tế. Đó là lý do tại sao việc thu thập năng lượng như tấm pin mặt trời vẫn là một giải pháp thích hợp ngày nay, phù hợp hơn với các robot cố định hoặc công suất cực thấp.
Tại sao điều này lại quan trọng
Đây không chỉ là những hạn chế về mặt kỹ thuật. Chúng xác định những gì robot có thể làm.
Một robot cứu hộ có pin 45 phút có thể không đủ lâu để hoàn thành một cuộc tìm kiếm. Một robot nông trại dừng lại để sạc lại sau mỗi giờ không thể thu hoạch mùa màng kịp thời. Ngay cả trong các nhà kho hay bệnh viện, thời gian chạy ngắn cũng làm tăng thêm sự phức tạp và chi phí.
Nếu robot đóng vai trò có ý nghĩa trong xã hội, hỗ trợ người già, khám phá môi trường nguy hiểm và làm việc cùng con người, chúng cần có sức bền để hoạt động trong nhiều giờ chứ không phải vài phút.
Các loại hóa chất pin mới như lithium-lưu huỳnh và kim loại-không khí mang đến một con đường đầy hứa hẹn hơn. Các hệ thống này có mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn nhiều so với các tế bào lithium-ion ngày nay. Một số tiếp cận mức được thấy trong mỡ động vật. Khi được ghép nối với bộ truyền động chuyển đổi hiệu quả năng lượng điện từ pin thành công việc cơ học, chúng có thể cho phép robot sánh ngang hoặc thậm chí vượt qua sức bền của động vật có lượng mỡ cơ thể thấp. Nhưng ngay cả những loại pin thế hệ tiếp theo này cũng có những hạn chế. Nhiều loại khó sạc lại, xuống cấp theo thời gian hoặc gặp phải những rào cản về kỹ thuật trong các hệ thống thực tế.
Sạc nhanh có thể giúp giảm thời gian chết. Một số loại pin mới có thể sạc lại trong vài phút thay vì vài giờ. Nhưng vẫn có sự đánh đổi. Fa
Sạc pin làm căng pin, tăng nhiệt và thường đòi hỏi cơ sở hạ tầng sạc công suất cao, nặng. Ngay cả khi có cải tiến, robot sạc nhanh vẫn cần phải dừng lại thường xuyên. Trong môi trường không có nguồn điện lưới, điều này không giải quyết được vấn đề cốt lõi là năng lượng trên tàu bị hạn chế. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu đang khám phá các giải pháp thay thế như "nạp nhiên liệu" cho robot bằng nhiên liệu kim loại hoặc hóa chất - giống như động vật ăn - để vượt qua hoàn toàn giới hạn của sạc điện.
Một giải pháp thay thế: Chuyển hóa robot
Trong tự nhiên, động vật không nạp năng lượng, chúng ăn. Thức ăn được chuyển hóa thành năng lượng thông qua quá trình tiêu hóa, tuần hoàn và hô hấp. Chất béo lưu trữ năng lượng đó, máu di chuyển năng lượng đó và cơ bắp sử dụng năng lượng đó. Robot trong tương lai có thể tuân theo một bản thiết kế tương tự với quá trình chuyển hóa tổng hợp.
Một số nhà nghiên cứu đang xây dựng các hệ thống cho phép robot "tiêu hóa" nhiên liệu kim loại hoặc hóa chất và hít thở oxy. Ví dụ, các lò phản ứng hóa học tổng hợp giống như dạ dày có thể chuyển đổi các vật liệu năng lượng cao như nhôm thành điện.
Điều này dựa trên nhiều tiến bộ trong khả năng tự chủ của robot, trong đó robot có thể cảm nhận các vật thể trong phòng và điều hướng để nhặt chúng, nhưng ở đây chúng sẽ thu thập các nguồn năng lượng.
Các nhà nghiên cứu khác đang phát triển các hệ thống năng lượng dựa trên chất lỏng lưu thông như máu. Một ví dụ ban đầu, một con cá rô bốt, đã tăng gấp ba mật độ năng lượng của nó bằng cách sử dụng chất lỏng đa chức năng thay vì pin lithium-ion tiêu chuẩn. Sự thay đổi thiết kế duy nhất đó đã mang lại tương đương với 16 năm cải tiến pin, không phải thông qua hóa học mới mà thông qua phương pháp lấy cảm hứng từ sinh học nhiều hơn. Các hệ thống này có thể cho phép rô bốt hoạt động trong thời gian dài hơn nhiều, lấy năng lượng từ các vật liệu lưu trữ nhiều năng lượng hơn nhiều so với pin hiện nay.
Ở động vật, hệ thống năng lượng không chỉ cung cấp năng lượng. Máu giúp điều chỉnh nhiệt độ, cung cấp hormone, chống nhiễm trùng và chữa lành vết thương. Quá trình trao đổi chất tổng hợp cũng có thể làm như vậy. Các rô bốt trong tương lai có thể quản lý nhiệt bằng cách sử dụng chất lỏng lưu thông hoặc tự chữa lành bằng cách sử dụng các vật liệu được lưu trữ hoặc tiêu hóa. Thay vì một bộ pin trung tâm, năng lượng có thể được lưu trữ khắp cơ thể ở các chi, khớp và các thành phần mềm giống như mô.
Phương pháp tiếp cận này có thể dẫn đến những cỗ máy không chỉ bền hơn mà còn thích nghi hơn, phục hồi nhanh hơn và giống như thật hơn.
Điểm mấu chốt
Các rô bốt ngày nay có thể nhảy và chạy nước rút như động vật, nhưng chúng không thể đi được xa.
Cơ thể của chúng nhanh nhẹn, trí óc của chúng đang được cải thiện, nhưng hệ thống năng lượng của chúng vẫn chưa bắt kịp. Nếu robot muốn làm việc cùng con người theo những cách có ý nghĩa, chúng ta sẽ cần cung cấp cho chúng nhiều thứ hơn là trí thông minh và sự nhanh nhẹn. Chúng ta sẽ cần cung cấp cho chúng sức bền.
James Pikul là Phó Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Wisconsin-Madison.
The Conversation là nguồn tin tức, phân tích và bình luận độc lập và phi lợi nhuận từ các chuyên gia học thuật.
