Nhóm các nhà nghiên cứu Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã phát triển thành công hệ robot tự hành gắn tay máy, có khả năng quan trắc mức phóng xạ và hỗ trợ thực hiện các thao tác kỹ thuật trong môi trường hạt nhân. Kết quả này cho thấy năng lực làm chủ công nghệ robot tự hành của các nhà khoa học trong nước, mở ra hướng ứng dụng thiết thực trong lĩnh vực an toàn bức xạ và công nghệ hạt nhân.

Từ thách thức đến giải pháp công nghệ

Trong bối cảnh yêu cầu bảo đảm an toàn bức xạ ngày càng cao tại các cơ sở nghiên cứu hạt nhân, các trung tâm y học hạt nhân của bệnh viện và đặc biệt trước định hướng phát triển điện hạt nhân tại Việt Nam, nhu cầu ứng dụng các robot tự hành thông minh đang trở nên cấp thiết. Các hệ robot này được kỳ vọng sẽ từng bước thay thế con người thực hiện các nhiệm vụ quan trắc, kiểm tra và thao tác kỹ thuật trong môi trường có bức xạ, nơi rủi ro an toàn luôn hiện hữu.

Sự phát triển mạnh mẽ của Cách mạng công nghiệp lần thứ tư đã thúc đẩy khả năng tích hợp robot tự hành với tay máy, cảm biến đa dạng, trí tuệ nhân tạo và Internet vạn vật (IoT), cho phép robot không chỉ di chuyển mà còn có khả năng nhận biết môi trường, ra quyết định và thực hiện nhiệm vụ với mức độ tự chủ ngày càng cao trong các điều kiện làm việc nguy hiểm.

Trên thế giới, nhiều hệ thống robot đã được phát triển để phục vụ lĩnh vực hạt nhân, từ đo đạc nồng độ phóng xạ, ghi nhận hình ảnh tại các khu vực khó tiếp cận, cho tới hỗ trợ thao tác, vận chuyển và xử lý sự cố. Tuy nhiên, thực tiễn sau sự cố hạt nhân Fukushima cho thấy, các robot điều khiển từ xa hoặc bán tự động bộc lộ nhiều hạn chế, phụ thuộc lớn vào con người, đường truyền thông tin và điều kiện địa hình, khiến hiệu quả ứng dụng chưa đạt như kỳ vọng. Điều này đặt ra yêu cầu phát triển các thế hệ robot mới có khả năng tự hành, tự nhận thức môi trường và chủ động ra quyết định trong điều kiện không xác định trước.

Tại Việt Nam, yêu cầu này càng trở nên cấp thiết trong bối cảnh đất nước đang từng bước tái khởi động chương trình điện hạt nhân, tiêu biểu là Dự án điện hạt nhân Ninh Thuận. Việc làm chủ công nghệ robot tự hành thông minh ứng dụng trong môi trường hạt nhân không chỉ góp phần bảo đảm an toàn bức xạ và an ninh năng lượng quốc gia mà còn mang ý nghĩa chiến lược trong việc nâng cao năng lực khoa học và công nghệ nội sinh, hướng tới phát triển bền vững lâu dài.

Từ yêu cầu thực tiễn, đề tài: “Nghiên cứu phát triển robot tự hành thông minh sử dụng các công nghệ sensor khác nhau và nền tảng IoT, AI, định hướng ứng dụng trong quan trắc môi trường phóng xạ” (mã số: ĐTĐLCN.19/2), thuộc chương trình phát triển Vật lý giai đoạn 2020-2025 do TS. Ngô Mạnh Tiến và nhóm nghiên cứu Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chủ trì đã được triển khai. Đề tài hướng tới xây dựng hệ thống robot tự hành thông minh, tích hợp các công nghệ cảm biến hiện đại, trí tuệ nhân tạo và nền tảng phần mềm robot tiên tiến, nhằm phục vụ hiệu quả công tác quan trắc an toàn bức xạ và hỗ trợ thao tác trong môi trường hạt nhân tại Việt Nam.

Thực tế cho thấy, chế tạo robot di động có thể di chuyển trong môi trường bình thường đã không đơn giản nhưng để robot di động gắn thêm tay máy hoạt động hoàn toàn tự trị là bài toán khó trong kỹ thuật điều khiển robot. Theo TS. Ngô Mạnh Tiến: Thách thức lớn nhất không nằm ở từng thành phần riêng lẻ mà ở việc kết hợp tất cả các hệ thống này thành một chỉnh thể hoạt động trơn tru. Robot vừa phải định vị chính xác trong không gian, vừa tránh vật cản, thao tác kết hợp tay máy định vị đối tượng để tương tác, tích hợp các thiết bị đo mức xạ, bản đồ hóa bức xạ theo thời gian thực tại vị trí, khu vực hoạt động là một thách thức.

Từ yêu cầu đó, nhóm đã lựa chọn hướng tiếp cận “làm chủ từng lớp công nghệ”, bắt đầu từ thiết kế cơ điện tử, mô hình hóa động học - động lực học, cho tới điều khiển, hệ thống nhận thức của robot trong đó cốt lõi là công nghệ SLAM và Navigation ứng dụng trí tuệ nhân tạo, công nghệ IoT và thuật toán kết hợp SLAM với mức xạ thời gian thực tạo bản đồ trực quan, thời gian thực xây dựng bản đồ mức xạ khu vực hoạt động của robot. Trên nền tảng đó, nhóm đã hoàn thiện hệ robot tự hành tích hợp tay máy, hướng tới ứng dụng trong môi trường phóng xạ.

Sản phẩm của Đề tài bao gồm 2 robot tự hành gắn tay máy 6 bậc tự do và tủ điều khiển trung tâm

Làm chủ công nghệ robot hạt nhân

Trong khuôn khổ đề tài, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và phát triển hệ robot tự hành tích hợp tay máy được trang bị đồng bộ nhiều loại cảm biến hiện đại như Lidar, Camera 2D-3D, IMU cùng các đầu đo bức xạ. Điểm khác biệt của hệ robot này không chỉ nằm ở khả năng di chuyển hay đo đạc mà ở việc các dữ liệu thu thập sẽ được xử lý tổng hợp để xây dựng đồng thời bản đồ không gian và bản đồ phân bố bức xạ theo thời gian thực.

Trên nền tảng các thuật toán SLAM, robot có thể tự định vị, “vẽ lại” môi trường làm việc và gắn thông tin bức xạ lên từng vị trí cụ thể trên bản đồ. Nhờ đó, người vận hành có thể nhanh chóng nhận biết các khu vực có mức phóng xạ cao, xác định vùng an toàn và theo dõi sự thay đổi của môi trường trong quá trình robot hoạt động.

Trên thế giới, robot ứng dụng trong lĩnh vực hạt nhân đã được nghiên cứu và triển khai từ khá sớm, chủ yếu phục vụ các nhiệm vụ như đo đạc phóng xạ, quan sát hiện trường hoặc thực hiện một số thao tác đơn giản, lặp lại. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống này vẫn phụ thuộc nhiều vào điều khiển từ xa và thường chỉ đảm nhiệm được từng chức năng riêng lẻ, khiến hiệu quả bị hạn chế, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp, môi trường bất định yêu cầu khả năng tự trị, phản ứng nhanh và linh hoạt của robot. Theo hướng tiếp cận các công nghệ hiện đại nhất hiện nay trong lĩnh vực robot di động, đề tài do TS. Ngô Mạnh Tiến chủ trì đã tích hợp robot tự hành với tay máy cộng tác 6 bậc tự do cùng các thuật toán trí tuệ nhân tạo, giúp hệ robot vừa có khả năng di chuyển, quan trắc, vừa hỗ trợ thao tác trong môi trường phóng xạ. Cách tiếp cận này không chỉ khắc phục những hạn chế của các nghiên cứu trước đây mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế trong các cơ sở hạt nhân, y học hạt nhân và công tác ứng phó sự cố bức xạ.

Đặc biệt, việc thử nghiệm robot tại các đơn vị như Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội và các cơ sở y học hạt nhân cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, xây dựng được bản đồ phóng xạ trực quan và định vị chính xác trong không gian rộng, nhiều vật cản. Đây là bước tiến quan trọng, khẳng định khả năng làm chủ công nghệ robot tự hành thông minh trong môi trường phóng xạ tại Việt Nam, tạo nền tảng cho việc phát triển các thế hệ robot ứng dụng trong lĩnh vực hạt nhân trong thời gian tới.

Chia sẻ về khả năng ứng dụng của nghiên cứu, TS. Ngô Mạnh Tiến cho biết: Các kết quả đạt được mới là bước khởi đầu nhưng đã mở ra nhiều hướng ứng dụng thiết thực. Trong các nhà máy điện hạt nhân, phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu hạt nhân, robot tự hành gắn tay máy có thể thay thế con người thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra, quan trắc và thao tác trong khu vực có bức xạ, qua đó giảm đáng kể mức độ phơi nhiễm với các bức xạ nguy hiểm như alpha, beta và gamma. Việc làm chủ công nghệ trong nước không chỉ giúp giảm chi phí so với các hệ robot nhập ngoại mà còn góp phần nâng cao năng lực tự chủ về khoa học và công nghệ.

Bên cạnh đó, robot còn có thể đảm nhiệm việc lập bản đồ bức xạ, khảo sát và khoanh vùng các khu vực có mức phóng xạ cao, phục vụ công tác quản lý, vận chuyển và xử lý nguồn phóng xạ. Trong các tình huống khẩn cấp, hệ robot có thể tham gia cô lập nguồn, hỗ trợ tẩy xạ hoặc vận chuyển vật liệu nhiễm xạ đến khu vực an toàn, góp phần giảm thiểu rủi ro cho con người và môi trường.

Trong lĩnh vực công nghiệp và y tế, tiềm năng ứng dụng của robot cũng rất rõ ràng. Robot có thể tham gia lắp đặt và vận hành các nguồn phóng xạ phục vụ đo lường công nghiệp, cũng như hỗ trợ chia liều phóng xạ trong các kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh hiện đại như SPECT hay PET-CT, nơi yêu cầu cao về độ chính xác và an toàn bức xạ, các khu vực xạ trị robot có thể hỗ trợ bệnh nhân và nhân viên y tế nhiều công việc.

Các sản phẩm robot đã cho thấy khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường phóng xạ, tuy nhiên, theo đánh giá của các nhà nghiên cứu, đây mới chỉ là bước khởi đầu. Trong thời gian tới, các hệ robot cần tiếp tục được hoàn thiện nhằm khắc phục những hạn chế đã được chỉ ra trong quá trình thử nghiệm. Trọng tâm nghiên cứu là tối ưu hóa các giải pháp che chắn bức xạ, thiết kế hòm hộp và vỏ bảo vệ phù hợp với môi trường có suất liều bức xạ cao. Đồng thời, hệ truyền động, cơ cấu và hình dáng robot sẽ tiếp tục được cải tiến để đáp ứng yêu cầu của từng loại môi trường làm việc và từng đơn vị ứng dụng cụ thể. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các giải pháp truyền thông tin hiệu quả trong các khu vực cách ly, nơi có mức nhiễu phóng xạ cao, cùng với việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo nhằm nâng cao mức độ tự trị và khả năng phối hợp hoạt động theo bầy đàn của robot trong các kịch bản cần triển khai đồng thời nhiều thiết bị là những hướng phát triển cần thiết trong giai đoạn tiếp theo.

Để hiện thực hóa các mục tiêu này, ngoài sự hỗ trợ từ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, sự đồng hành của các doanh nghiệp công nghệ đóng vai trò then chốt, đặc biệt trong các khâu chuẩn hóa kỹ thuật, sản xuất và xây dựng các kịch bản ứng dụng phù hợp với điều kiện thực tiễn trong nước. Những kết quả đạt được đã khẳng định năng lực của đội ngũ cán bộ nghiên cứu Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong việc làm chủ các công nghệ cốt lõi của lĩnh vực tự động hóa, tạo tiền đề quan trọng cho việc phát triển các giải pháp bảo đảm an toàn bức xạ và mở rộng ứng dụng vào thực tiễn.

P.T (tổng hợp)