Trong những môi trường khắc nghiệt hoặc phức tạp mà con người khó điều hướng, robot có bánh xe hoặc bánh xích truyền thống thường phải đối mặt với những thách thức đáng kể do khả năng thích ứng địa hình kém và không ổn định. Robot Hexapod, với thiết kế cấu trúc mô phỏng sinh học độc đáo và chuyển động phối hợp của sáu chân cơ khí, thể hiện khả năng di chuyển đặc biệt và khả năng thực hiện nhiệm vụ ở địa hình gồ ghề, không gian hạn chế và thậm chí trong môi trường không trọng lượng, trở thành công nghệ hàng đầu trong các hoạt động trong môi trường đặc biệt.
Ưu điểm sinh học của cấu trúc Hexapod: Cân bằng ổn định và linh hoạt
Thiết kế của robot sáu chân lấy cảm hứng từ động vật chân đốt có trong tự nhiên, chẳng hạn như gián và nhện. Những sinh vật này sử dụng khả năng tiếp xúc bằng nhiều chân và khả năng điều chỉnh trọng tâm động để duy trì chuyển động hiệu quả trong đất xốp, kẽ đá và thậm chí cả các bức tường thẳng đứng. Robot Hexapod thừa hưởng đặc điểm cốt lõi này: nếu một hoặc hai chân bị chướng ngại vật chặn lại, bốn chân còn lại có thể điều chỉnh dáng đi theo thời gian thực thông qua thuật toán, tạo thành cấu trúc hỗ trợ hình tam giác ổn định (tương tự như “dáng đi ba chân” của côn trùng) để ngăn robot bị lật. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy, trên các sườn dốc rải sỏi có độ nghiêng 30 độ hoặc trong các đường ống có đường kính chỉ 15 cm, tốc độ vượt qua của robot sáu chân cao hơn 40% so với robot bốn chân và cao hơn 70% so với robot có bánh xe.
Quan trọng hơn, sự dư thừa của cấu trúc sáu chân giúp robot có khả năng thích ứng đặc biệt với môi trường. Ví dụ: trong tình huống tìm kiếm và cứu hộ mảnh vỡ, nếu một chân bị hư hỏng do va chạm, hệ thống có thể tự động phân phối lại tải trọng, chuyển 30% trọng lượng ban đầu do chân đó chịu sang năm chân còn lại và tiếp tục tiến về phía trước thông qua lập kế hoạch dáng đi động (chẳng hạn như nhảy một chân và bò nhiều chân). Khả năng "khả năng chịu thiệt hại" này hiện khó đạt được đối với hầu hết các robot.
Xác minh thực tế trong môi trường đặc biệt: Từ vùng cực đến không gian sâu
Giá trị của robot hexapod đã được chứng minh trong nhiều tình huống khắc nghiệt. Trong các chuyến thám hiểm khoa học ở Bắc Cực, một nhóm nghiên cứu người Canada đã phát triển một robot "Polar Hexapod" được trang bị thiết bị chụp ảnh nhiệt hồng ngoại và mô-đun khoan băng, đã vượt qua thành công lãnh nguyên băng giá và các khe băng ở nhiệt độ -40 độ, thu thập các mẫu cộng đồng vi sinh vật ở hồ dưới băng. Việc sử dụng máy bay không người lái sẽ khiến tuổi thọ pin giảm mạnh do nhiệt độ thấp, trong khi việc dựa vào con người điều khiển sẽ có nguy cơ bị tê cóng.
Trong lĩnh vực thăm dò núi lửa, robot sáu chân "Vulcan" của Đại học Tokyo, Nhật Bản, được trang bị-lớp vỏ hợp kim nhiệt độ cao (có khả năng chịu được nhiệt độ bề mặt 300 độ ) và dãy cảm biến khí, đã thâm nhập sâu vào vành của các núi lửa đang hoạt động để thu thập dữ liệu nồng độ sulfur dioxide. Sáu chân của nó có các khớp giảm chấn thủy lực, đảm bảo sự cân bằng dưới tác động của tro và mảnh vụn núi lửa phun trào. Thiết bị có bánh xe rất dễ bị mắc kẹt trong những môi trường như vậy do các mảnh vụn bám vào bánh xe.
Thậm chí hứa hẹn hơn là các ứng dụng không gian. Nguyên mẫu "Lunar Hexapod" hiện đang được NASA thử nghiệm có thuật toán dáng đi được tối ưu hóa cho trọng lực thấp (1/6 trọng lực của Trái đất). Mỗi chân được trang bị một mỏ neo có thể thu vào. Trong một bước, trước tiên, robot sẽ cố định cơ thể bằng mỏ neo trước khi nhấc chân liền kề lên để di chuyển, tránh bị trượt do đất mềm trên mặt trăng gây ra. Các mô phỏng được thực hiện vào năm 2023 cho thấy robot đã leo lên dốc 25 độ bằng các hạt thủy tinh làm bằng đất mặt trăng mô phỏng hiệu quả gấp ba lần so với tàu thám hiểm mặt trăng Apollo, trong khi chỉ tiêu thụ 1{8}}năng lượng so với tàu thám hiểm mặt trăng Apollo.
Nút thắt kỹ thuật và đột phá trong tương lai
Bất chấp triển vọng đầy hứa hẹn, robot sáu chân vẫn phải đối mặt với ba thách thức lớn: Thứ nhất, áp lực của việc-ra quyết định theo thời gian thực-trong môi trường phức tạp. Các thuật toán điều khiển truyền thống có thể gặp phải độ trễ khi đồng thời gặp phải địa hình mềm, chướng ngại vật trên cao và các nhiễu động động (chẳng hạn như gió và nước). Thứ hai, hạn chế về cung cấp năng lượng. Chuyển động-tải cao, đặc biệt là trong không gian sâu hoặc môi trường dưới lòng đất mà không có bộ sạc bên ngoài, đặt ra yêu cầu cực kỳ cao về dung lượng pin. Thứ ba, xung đột giữa chi phí và thu nhỏ. Các robot sáu chân cao cấp-hiện tại thường có giá hơn một triệu đô la, hạn chế việc triển khai ở quy mô-lớn.
Academia đã đề xuất một số giải pháp sáng tạo để giải quyết những vấn đề này. Ví dụ: "công cụ dáng đi thích ứng" kết hợp với học tăng cường sâu cho phép robot tự động học các chiến lược chuyển động tối ưu bằng cách mô phỏng hàng triệu tương tác trên các địa hình khác nhau. Việc sử dụng vật liệu mô phỏng sinh học linh hoạt (chẳng hạn như gân sinh học bằng sợi carbon) giúp giảm trọng lượng của chân đồng thời cải thiện khả năng chống va đập. Và thiết kế năng lượng theo mô-đun (chẳng hạn như pin hạt nhân-tích hợp hoặc màng năng lượng mặt trời) giúp kéo dài tuổi thọ pin.
Có thể thấy trước rằng với những tiến bộ trong khoa học vật liệu, trí tuệ nhân tạo và lý thuyết điều khiển, robot sáu chân sẽ dần phát triển từ “công cụ đặc biệt” thành “nền tảng phổ quát” để hoạt động trong môi trường chuyên biệt. Cho dù đó là khám phá cuộc sống ở các miệng phun thủy nhiệt-sâu dưới biển, dọn dẹp các vùng bức xạ sau các vụ tai nạn nhà máy điện hạt nhân hay vận chuyển vật tư trong quá trình xây dựng căn cứ trên sao Hỏa, "nhà thám hiểm sáu chân" này sẽ trở thành đối tác quan trọng trong việc giúp con người mở rộng ranh giới nhận thức của họ.
