Bên dưới đường phố của đô thị là một mê cung đường ống như ống dẫn nước, nước thải và khí đốt. Việc kiểm tra thường xuyên các đường ống này để phát hiện rò rỉ hoặc sửa chữa thông thường đòi hỏi phải có kỹ thuật và phải đào trên khoảng cách dài.

Phương pháp tìm kiếm hỏng hóc để sửa chữa thường nặng nề và tốn kém, chi phí ước tính hàng năm là 5,5 tỷ bảng chỉ riêng ở Anh, đồng thời gây ra gián đoạn giao thông, gây phiền toái cho dân cư và thiệt hại cho môi trường.

Robot Joey cơ động trong đường ống. Ảnh The Emgineer

Để có thể kiểm soát được những đường ồng, các nhà khoa học đã phát triển một robot có thể di chuyển và điều hướng trong mạng lưới đường ống hẹp nhất, chuyển tiếp hình ảnh hư hỏng hoặc tắc nghẽn đường ống cho người điều khiển. Ý tưởng này đang được hiện thực hóa trong một nghiên cứu mới của nhóm nghiên cứu từ Đại học Leeds, những kết quả đầu tiên được đăng trên tạp chí Frontiers in Robotics and AI.

 Cấu trúc robot đường ông Joey. Ảnh Frontiers in Robotics and AI.

TS Netta Cohen, GS thuộc Đại học Leeds, lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết: “Trong bài báo cáo khoa học chúng tôi giới thiệu Joey—một robot nhỏ mới, chững minh rằng Joey có thể độc lập tự khám phá những mạng lưới đường ống, hoàn toàn không cần camera điều hướng”.

Joey là robot đầu tiên có thể tự di chuyển qua mê cung đường ống có đường kính hẹp tới 7,5 cm. Chỉ nặng 70 g, kích thước robot đủ nhỏ để nằm gọn trong lòng bàn tay.

Dự án Pipebot

Công trình nghiên cứu là một phần của dự án "Pipebots" của các trường đại học Sheffield, Bristol, Birmingham và Leeds, phối hợp với các công ty cung cấp dịch vụ tiện ích của Anh, các cơ sở nghiên cứu đối tác và công nghiệp quốc tế khác.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, TS Nguyễn Thành Luân, nghiên cứu sinh sau TS tại Đại học Leeds, phát triển thuật toán điều khiển Joey (hay "bộ não") cho biết: "Mạng lưới nước ngầm và cống rãnh là một trong những môi trường kém thân thiện nhất, không chỉ đối với con người mà cả với rô bốt. Điều hướng vệ tinh Sat Nav không thể truy cập dưới lòng đất. Joeys rất nhỏ, vì vậy phải hoạt động với các động cơ, cảm biến và máy tính đơn giản, chiếm ít không gian, pin nhỏ phải có khả năng hoạt động đủ lâu."

Joey di chuyển trên các "chân bánh xe" in 3D, có thể lăn qua các đoạn đường thẳng và đi qua những chướng ngại vật nhỏ. Robot được trang bị các cảm biến tiết kiệm năng lượng để đo khoảng cách giữa máy với các bức tường, các điểm giao nhau và các góc, các công cụ điều hướng, micrô, máy ảnh và đèn chiếu sáng để ghi lại tình trạng hư hỏng, các lỗi kỹ thuật trong mạng lưới đường ống, lưu trữ hình ảnh. Nguyên mẫu được chế tạo chỉ tốn 300 bảng Anh.

 Joey di chuyển qua mạng lưới đường ống thử nghiệm. T-1 đến T-8: di chuyển qua ngã ba. OB-1 đến OB-8: gặp chướng ngại vật và quay lại. Ảnh: T.L.Nguyễn, A. Blight, A Pickering, A Barber, GH Jackson-Mills, J.H. Boyle, R Richardson, M Dogar, N Cohen.

Bùn và dốc trơn trượt

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh được, Joey có thể tìm đường mà không cần bất kỳ hướng dẫn nào từ người điều khiển, sử dụng mạng lưới đường ống thử nghiệm bao gồm ngã ba, góc trái và góc phải, ngõ cụt, chướng ngại vật và 3 đoạn thẳng. Trung bình, Joey khám phá một mét mạng lưới đường ống chỉ trong hơn 45 giây.

Do điều kiện di chuyển của robot trong các đường ống rất khó khăn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thử nghiệm để xác minh. Kết quả cho thấy, robot có thể dễ dàng di chuyển lên và xuống các đường ống nghiêng với độ dốc thực tế. Để kiểm tra khả năng di chuyển của Joey qua các ống bùn hoặc trơn trượt, các nhà khoa học thêm cát và gel gooey (nước rửa chén) vào các đường ống — một lần nữa robot di chuyển thành công.

Điều quan trọng là các cảm biến đủ cho phép Joey điều hướng mà không cần bật máy ảnh hoặc sử dụng thị giác máy tính tiêu tốn điện. Ưu thế kỹ thuật này giúp tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ pin của Joey. Khi nào dung lượng pin suy giảm, Joey sẽ quay trở lại điểm xuất phát để "nạp" năng lượng.

Hiện robot Joeys có một điểm yếu: không thể tự đứng dậy nếu vô tình bị rơi quay lưng xuống, tương tự như rùa bị lộn ngược. Các tác giả nghiên cứu tuyên bố, nguyên mẫu tiếp theo sẽ giải quyết được thách thức này. Các thế hệ tương lai của Joey phải có khả năng chống thấm nước để hoạt động dưới nước trong những đường ống chứa đầy chất lỏng.

 TER-1 đến TER-3: Joey di chuyển trên cát, nhớt trơn trượt và bùn. INC-1 đến INC-4: di chuyển qua các đường ống nghiêng một góc. Ảnh: T.L. Nguyễn, A Blight, A Pickering, A Barber, GH Jackson-Mills, JH Boyle, R Richardson, M Dogar, N Cohen

Tương lai của Joey là liên kết phối hợp bầy đàn

Các nhà khoa học của Pipebots đặt mục tiêu phát triển một đàn Joeys, có thể giao tiếp và làm việc cùng nhau, được biên chế cho một robot "mẹ" lớn hơn, được gọi là Kanga. Kanga hiện đang được một nhóm nhà khoa học phát triển và thử nghiệm tại Trường Điện toán Leeds, được trang bị các cảm biến và công cụ sửa chữa tinh vi hơn như cánh tay rô-bốt, mang theo nhiều robot thứ cấp Joeys.

TS Cohen cho biết: “Cuối cùng, chúng tôi hy vọng sẽ thiết kế một hệ thống có thể kiểm tra và lập bản đồ tình trạng của mạng lưới đường ống rộng lớn, theo dõi các đường ống theo thời gian và thậm chí thực hiện một số nhiệm vụ bảo trì và sửa chữa đặc thù như phá hủy các chướng ngại vật gây tắc nghẽn đường ông”.

"Chúng tôi hình dung, công nghệ robot mini này sẽ mở rộng quy mô và đa dạng hóa, tạo thành một hệ sinh thái gồm nhiều loài rô-bốt cộng tác với nhau dưới lòng đất. Trong kịch bản này, các nhóm Joeys sẽ được triển khai từ những robot lớn hơn có công suất lớn và nhiều khả năng hơn, sử dụng trong các đường ống lớn do kích thước và dùng Joey để do thám các đường ống nhỏ, thu thập thông tin và chuyển về trung tâm điều hành. Để đạt được hệ thống robot kiểm tra và bảo trì đường ống này sẽ cần nhiều nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm và áp dụng thử từng bước trong vòng từ 10 đến 20 năm. Hệ thống robot kiểm soát và bảo trì đường ống có thể được đưa vào khai thác sử dụng vào khoảng năm 2040 hoặc 2050."