Nhóm nhà khoa học Việt biến gián thành 'cyborg' cứu hộ

"Ý tưởng xuất phát từ một câu hỏi đơn giản: sau khi một con côn trùng cyborg tìm thấy người mắc kẹt, nó có thể làm gì thêm để hỗ trợ họ", TS Võ Đoàn Tất Thắng, 41 tuổi, Giám đốc Phòng thí nghiệm Robot Sinh học (Biorobotics Lab), chia sẻ với VnExpress về khởi nguồn của nghiên cứu côn trùng lai máy. Ông tốt nghiệp tiến sĩ tại Đại học Công nghệ Nanyang (Singapore), sau đó nghiên cứu sau tiến sĩ ở Singapore và Đức. Năm 2023, ông sang Australia làm giảng viên Đại học Queensland (UQ).

Biorobotics Lab hiện tập trung vào robot sinh học, côn trùng lai máy, cơ sinh học côn trùng và hệ thống robot lấy cảm hứng từ tự nhiên, với mục tiêu kết hợp khả năng đặc biệt của sinh vật với kỹ thuật, điện tử và robot học. Việc biến gián thành động vật cứu hộ là kết quả của nhóm nghiên cứu gồm 13 thành viên từ Biorobotics Lab, UQ và Đại học New South Wales (UNSW) do TS Thắng dẫn đầu. Nhóm còn có ba nghiên cứu sinh tiến sĩ người Việt.

Cyborg (sinh vật cơ khí hóa hoặc người máy sinh học) là một thực thể vừa có các bộ phận sinh học vừa có thành phần nhân tạo hoặc công nghệ điện tử. Thuật ngữ này ghép từ cybernetic (điều khiển học) và organism (sinh vật), do hai nhà khoa học Manfred Clynes và Nathan Kline đặt ra vào năm 1960.

Theo ông Thắng, trước đây, phần lớn nghiên cứu về côn trùng lai máy tập trung vào tìm kiếm, thu thập hình ảnh, cảm biến và phát hiện nạn nhân. Tuy nhiên, khi gặp một thành viên khác là Đỗ Thanh Nhỏ, Giám đốc phòng thí nghiệm Robot y tế UNSW, cả hai cùng có chung ý tưởng về côn trùng cyborg. "Tôi có nền tảng về côn trùng cyborg và robot sinh học, còn anh Nhỏ có thế mạnh về robot mềm và robot y khoa, hai hướng bổ sung cho nhau một cách tự nhiên", ông Thắng kể.

Dù đã có hướng đi, nhóm mất gần ba năm phát triển nền tảng mang tải, giao tiếp điện với côn trùng, điều khiển chuyển động, camera và cơ cấu tiêm, rồi tích hợp thành hệ thống mang tên Paraborg. Loại côn trùng được chọn là gián đào hang khổng lồ Macropanesthia rhinoceros.

"So với nhiều loài khác dùng trong nghiên cứu cyborg insect (côn trùng tích hợp thiết bị điện tử), loài này có cơ thể lớn, khỏe và đủ khả năng mang thêm điện tử, camera hoặc cơ cấu tiêm thu nhỏ mà vẫn di chuyển tốt", ông Thắng giải thích. "Đây là lợi thế quan trọng, vì trong cứu hộ, chúng ta không chỉ cần điều khiển côn trùng mà còn muốn nó mang các chức năng hữu ích".

Theo ông, gián đào hang khổng lồ có hệ vận động hiệu quả. Chúng có thể tự bước, giữ thăng bằng và thích nghi với bề mặt không bằng phẳng mà không cần tính toán chuyển động của từng chân như robot nhân tạo. Nhóm tận dụng khả năng sinh học có sẵn, sau đó bổ sung lớp điện tử để định hướng và giao tiếp.

Paraborg gồm điện cực giao tiếp với cơ quan cảm giác, mạch điều khiển thu nhỏ, nguồn điện, kèm hệ thống tự tiêm kích hoạt từ xa. Tùy nhiệm vụ, camera hoặc cơ cấu tiêm, các thành phần được bố trí trên lưng để hạn chế cản trở chân, khớp và chuyển động thân.

Sau khi gắn hệ thống điện tử, nhóm sử dụng cơ chế điều khiển riêng. Các xung điện nhỏ được đưa tới cơ quan cảm giác để tác động đến hướng hoặc chuyển động, trong khi côn trùng vẫn tự điều khiển từng chân, vượt chướng ngại vật và giữ thăng bằng.

Với điều hướng, kích thích một bên râu tạo xu hướng quay theo hướng mong muốn. Khi cần thúc đẩy chuyển động, điện cực có thể tác động tới cerci (cơ quan xúc giác giúp côn trùng cảm nhận rung động, âm thanh hoặc luồng gió trong không khí để phát hiện kẻ thù) nằm ở phía sau cơ thể.

Ứng dụng đầu tiên của Paraborg là tiêm ở cự ly gần với tỷ lệ thành công tới 95%, trong khi tỷ lệ hoàn thành cả quá trình điều hướng và tiêm là 72%. Theo TS Thắng, chỉ số này phản ánh hai mức độ khó khác nhau. Khi Paraborg gần mục tiêu (phạm vi khoảng 15 cm), cơ cấu tiêm có điều kiện thuận lợi hơn để kim tiếp cận đúng bề mặt, nên tỷ lệ thành công cao. Nhưng nhiệm vụ đầy đủ khó hơn, như côn trùng di chuyển qua các điểm định trước khi vào vùng tiêm, xoay đúng hướng, giữ vị trí ổn định... cơ cấu tiêm mới được kích hoạt.

"Khó khăn nhất là hiện tượng habituation, tức phản ứng với kích thích có thể suy giảm sau nhiều lần lặp lại", ông giải thích. "Vì vậy, nhóm phát triển chiến lược điều khiển thích nghi, gồm cơ chế quay vòng để khôi phục khả năng định hướng và điều chỉnh mức kích thích khi cần. Khi tiếp cận mục tiêu, chiến lược thay đổi: giảm chuyển động tiến, điều chỉnh hướng, ổn định con gián trước khi người vận hành kích hoạt cơ cấu tiêm. Đây vẫn là hệ thống có con người giám sát, côn trùng không tự đưa ra quyết định".

Khó khăn còn liên quan đến kiểm soát ánh sáng, góc quan sát, bề mặt di chuyển. Trong thực tế, camera trên côn trùng kích thước rất nhỏ, hạn chế về độ phân giải, góc nhìn, ánh sáng và năng lượng. Bụi, nước, khói hoặc vật cản cũng có thể che hình ảnh, trong khi con gián liên tục đổi tư thế khiến video rung và góc nhìn biến đổi nhanh. Ngoài ra, việc định vị không dễ dàng khi GPS gần như không hữu ích khi côn trùng ở sâu trong đống đổ nát, hang hoặc không gian kín, cấu trúc phức tạp.

Paraborg đang phát triển dưới dạng nguyên mẫu, chưa có lộ trình thương mại hóa. Ông Thắng kỳ vọng "có thể thấy các đội cứu hộ côn trùng người máy trong 5-10 năm nữa". Thiết bị không thay thế các quyết định y tế, thay vào đó "cánh tay mở rộng" của bác sĩ hoặc nhân viên cứu hộ tới nơi họ chưa thể tiếp cận. Về lâu dài, chúng có thể tự động hóa nhiệm vụ như định vị, tránh chướng ngại vật, tìm đường hoặc ổn định cơ thể trước khi can thiệp.

Với Việt Nam, ông Thắng đánh giá có nhiều kịch bản để hệ thống nhỏ như cyborg insect có thể bổ sung cho công cụ cứu hộ hiện có. Chẳng hạn, với sạt lở hoặc sập công trình, côn trùng có thể đi vào những khe mà người, chó nghiệp vụ hoặc robot lớn khó tiếp cận để tìm dấu hiệu nạn nhân, truyền hình ảnh, đo thông số môi trường và xác định khu vực ưu tiên. Với lũ lụt, bài toán sẽ khác và không phải mọi loài hay cấu hình đều phù hợp, nhất là khi có nước chảy mạnh, nhưng côn trùng cyborg có thể hữu ích ở phần công trình còn khô hoặc vùng cô lập.

"Xa hơn, nếu mô-đun can thiệp được chứng minh an toàn, chúng có thể mang cảm biến, thiết bị liên lạc hoặc dụng cụ hỗ trợ nhỏ tới nạn nhân", ông Thắng nói. "Tôi xem đây là công nghệ bổ sung cho lực lượng cứu hộ, không phải thay thế các phương tiện hiện có".

Kết quả của nhóm nghiên cứu do TS Võ Đoàn Tất Thắng hiện nhận nhiều phản hồi tích cực. Tim Hassiotis, Giám đốc Sở Cứu hỏa và Cứu hộ New South Wales (Australia), đánh giá công nghệ này có thể mở rộng phạm vi hoạt động của các đội cứu hộ.

"Nếu côn trùng lai máy có thể an toàn đi vào những không gian con người không thể vào, xác định vị trí người bị nạn và cuối cùng là giúp cung cấp chăm sóc y tế khẩn cấp, chúng có thể trở thành công cụ quý giá của hoạt động an toàn tìm kiếm và cứu nạn", Hassiotis nói với Guardian.

Bảo Lâm