Khi đề cập đến cách mạng công nghiệp 4.0 (CMCN 4.0 ) thường được nhắc đến, kết nối vạn vật (Internet of Things-IoT), công nghệ chia sẻ (sharing technology), dữ liệu lớn (Big Data), công nghệ chuỗi khối (block chain), trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence-AI), công nghệ số, công nghệ truyền thông không dây, công nghệ tự động hóa và không bao giờ quên nhắc tới robot, chính xác hơn là robotics (KHCN robot). Vậy mối quan hệ tương tác giữa CMCN 4.0 và robotics là như thế nào? Robotics có thể đóng góp gì cho CMCN 4.0? Tại sao có thể xây dựng tư duy CMCN 4.0 thông qua việc giáo dục về robotics?
Quan hệ tương tác giữa CMCN 4.0 và Robotics
Robot đã bước vào dây chuyền sản xuất, ban đầu như thợ phụ làm nhiệm vụ cấp thoát phôi, rồi trở thành thợ chính, như thợ hàn, thợ lắp ráp,… và quan trọng hơn là làm thay đổi bộ mặt của dây chuyền sản xuất, trở thành hoàn toàn tự động. Không những làm thay đổi các dây chuyền sản xuất mà làm thay đổi cả hệ thống sản xuất, thậm chí góp phần làm thay đổi bộ mặt cả xã hội. Càng ngày càng hiện thực một xã hội “nhà máy không có người, văn phòng không có giấy và tiến tới cuộc chiến không có lính”. Công nghệ robot đã cùng với những công nghệ khác, như công nghệ số, công nghệ xử lý thông minh, công nghệ kết nối,… tạo nên CMCN 4.0. Ngoài tác động đó, bản thân robot là một hệ thống thiết bị hoàn chỉnh cũng không ngừng phát triển dưới tác động của các công nghệ nói trên và thường được dùng để trình diễn trực quan các hiệu quả của những tác động tổng hợp đó.
Trong sản xuất, trong dịch vụ và trong quản lý cũng đều phải có các hệ thống chức năng tương tự: hệ thống nhận biết thông tin tín hiệu, hệ thống xử lý, điều khiển và hệ thống chấp hành các lệnh điều khiển. Các thành tựu của các công nghệ tạo nên CMCN 4.0 và dưới đây gọi tắt là các công nghệ tiêu biểu, như là công nghệ số, công nghệ trí tuệ nhân tạo, công nghệ kết nối vạn vật, công nghệ chia sẻ,… đều có thể tác động vào sản xuất,vào dịch vụ, vào quản lý cũng như vào robot. Tuy hình thức và mức độ tác động có thể khác nhau, nhưng có thể mô tả dễ hơn trong hoạt động của robot vì nó thường là rất cụ thể, rất dễ hiện thực và rất dễ quan sát.
Robot nói chung có 3 hệ thống chức năng cấu thành: Hệ thống các cơ cấu chấp hành, tương ứng với bộ xương, chân tay và cơ bắp trong cơ thể con người; Hệ thống sensor cảm biến để nhận biết các tín hiệu, tương ứng như các giác quan của con người; Hệ thống, tương ứng như bộ não và hệ thần kinh của con người, làm nhiệm vụ xử lý tín hiêu rồi ra quyết định và điều khiển toàn bộ các thao tác của robot. Robot hiện đại càng ngày càng làm được nhiều thao tác khéo léo, thông minh, gần như con người và cũng đã xuất hiện một vài loại robot có những thao tác làm tốt hơn con người trong một số công việc cụ thể.
Hệ thống sensor cảm biến là quan trọng bậc nhất trong robot cũng như các giác quan trong cơ thể con người. Bộ não con người cũng như “trí tuệ nhân tạo” trong robot và trong CMCN 4.0 có hoạt động được hay không là phụ thuộc vào khả năng có nhận biết tín hiệu của hệ thống sensor cảm biến. Một câu chuyện thời sự liên quan đến các hệ thống cảm biến và điều khiển là việc cướp quyền điều khiển và chống cướp quyền điều khiển trong các giải pháp chống máy bay không người lái của đối phương.
Trong các trò chơi cướp quyền điều khiển đối với robot bay loại nhiều nhánh rotor cánh quạt hoặc loại máy bay mô hình, dùng tần số radio thì vốn đã hấp dẫn, nhưng độ phức tạp sẽ khó khăn lên gấp bội đối với các loại máy bay không người lái khác, nhất là các loại máy bay không người lái (UAV) truyền thống, có phạm vi hoạt động rất cao và rất xa. Khi gửi tín hiệu giả tới máy bay khiến nó nhầm đây là một tín hiệu từ vệ tinh GPS, từ đó xâm nhập vào hệ thống điều khiển của nó. Đây cũng có thể là cách thức mà Iran đã vận dụng để “bắt sống” một máy bay không người lái của Mỹ vào năm 2011. Nhưng từ 2015 các mẫu UAV hiện đại đều được trang bị phần mềm bảo mật, có thể ngăn chặn các cuộc tấn công mạng thâm nhập vào hệ thống điều khiển của nó.
Như có thể quan sát thấy trong các hoạt động của robot, nhiều khi các lệnh điều khiển phát ra nhưng cơ cấu chấp hành không thực hiện được đúng hoặc bị trễ, tức là không đảm bảo thời gian thực (realtime). Điều đó cũng thường xảy ra đối với các hệ thống lớn trong CMCN 4.0. Vì vậy trong thời đại kỹ thuật số, mọi việc xảy ra rất nhanh chóng và rất linh hoạt, thì các yêu đặt ra đối với hệ thống chấp hành là rất cao. Một ví dụ minh họa rất gần gũi là gần đây trong nước ta có tiến hành nghiên cứu các công trình cải tiên một vài loại súng thành súng bắn tự động ở trận địa không cần hiện diện pháo thủ hoặc súng được đặt trên nóc nhà, nóc xe, nóc tàu thuyền. Vấn đề gặp phải là mặc dầu thiết bị ngắm tìm mục tiêu rất nhạy bén, nhưng lệnh bắn phát ra rồi mà các di chuyển của nòng pháo theo bám không kịp. Lý do chủ yếu là do có khe hở của các bánh răng, Các khe hở này là bắt buộc tồn tại thì mới lắp ráp đươc đối với bánh răng thông thường. Tình trạng này khắc phục được khi thay bằng bánh răng sóng (harmonic) khá đặc biệt, phải nhập ngoại rất đắt tiền. Thực ra, hoàn toàn có thể thay được bằng loại bánh răng con lăn, là loại mới, triệt tiêu được khe hở cạnh răng và trong nước đã chế tạo thành công. Ví dụ nói trên dẫn ra cốt để minh họa sự cần thiêt đổi mới một số thiết bị cơ khí chấp hành để đáp ứng được các yêu cầu mới của CMCN 4.0 đối với các hệ thống thiết bị di động và được điều khiển số.
Khả năng đóng góp của robotics cho CMCN 4.0
Để đáp ứng thường xuyên của thị trường cạnh tranh, hệ thống sản xuất công nghiệp hiện đại đòi hỏi phải được tổ chức một cách linh hoạt. Cơ điện tử với nòng cốt là robotics có thể tạo cơ sở cho các giải pháp linh hoạt hóa cho hệ thống sản xuất. Sự tích hợp giữa các bộ phận cơ khí chấp hành với hệ thống điện tử và phần mềm điều khiển trong thời gian thực để đảm bảo sự tương tác hài hòa, chính xác với đối tượng và môi trường làm việc. Công nghệ robot với hệ thống các sensor hiện đại cùng với hệ thống điều khiển xử lý thích nghi đã tạo ra những dây chuyền sản xuất tự động thông minh.
Trên nhiều diễn đàn quốc tế vai trò của robotics đã được nhấn mạnh: Trước đây người ta coi robot là phương tiện để tiết kiệm chi phí lao động, thế nhưng robotics ngày nay đã đóng vai trò quan trọng hơn nhiều trong sản xuất, chúng là một phần của kế hoạch cạnh tranh toàn cầu. Nhu cầu tồn tại trong cạnh tranh là một động lực quyết định đầu tư cho ngành robotics. Trong thực tế hiện nay ở nước ta, một trong những mục tiêu nghiên cứu robot dịch vụ còn đặt ra là dùng robot làm mô hình cho các thiết bị thực, có kích cỡ lớn hơn nhiều lần, để thử nghiệm phát triển cải tiến, từ nguyên lý hoạt động đến việc ứng dụng các thành tựu mới của công nghệ liên quan kể cả một số công nghệ tiêu biểu của CMCN 4.0.
Đối với hướng ứng dụng có lẽ trong tình hình mới nên tập trung cho công tác an ninh quốc phòng là chủ yếu, như nhiều nước đang tiến hành. Robot dịch vụ trong công tác an ninh quốc phòng có thể có nhiều loại hình, phụ thuộc vào công việc mà robot đảm nhiệm hoặc vào khí tài mà nó mang theo. Tuy nhiên, phần nhiều chúng đều là những thiết bị di chuyển được và có thể phân chúng thành 3 loại cơ bản: di chuyển dưới nước, di chuyển trên không và di chuyển trên bộ.
Trong những năm gần đây nhiều nước rất quan tâm đến khai thác đáy biển nên rất phát triển về robot dưới nước. Trong tương lai, việc nghiên cứu và ứng dụng robot dưới nước sẽ phát huy hiệu quả cao và có thể giúp chúng ta khám phá, chinh phục và làm chủ đại dương. Đang là thời kỳ phát triển bùng nổ robot trên không, bao gồm máy bay không người lái, robot bay nhiều nhánh rotor cánh quạt và robot taxi bay. Những kết quả bước đầu rất hấp dẫn, nhưng đối với các loại mới cũng gặp không ít khó khăn, nhất là thời gian làm việc liên tục trên không còn rất ngắn và chưa có giải pháp tin cậy đảm bảo an toàn bay, nhất là lúc bay thử nghiệm. Đối với các loại robot trên bộ có kích cỡ to lớn và đắt tiền như những robot địa hình hoặc những chiếc xe tăng tự lái thì những nghiên cứu cải tiến thử nghiệm trên chúng là rất khó khăn, vì vậy nên tiến hành trên các robot như những mô hình thu nhỏ để thử nghiêm hệ thống điều khiển với các công nghệ tiêu biểu của CMCN 4.0.
Ở các nước trong vùng đã bắt đầu triển khai các chương trình phát triển robotics phục vụ CMCN 4.0. Ở Đài Loan có chương trình hành động “Productivity 4.0 Development program” (chương trình phát triển năng suất 4.0) để hỗ trợ ngành máy công cụ CNC, vốn có các robot làm nhiệm vụ thay đổi dụng cụ nằm ngay trong máy, sản xuất thông minh, nhằm cung cấp các chi tiết, phụ tùng cơ khí và dịch vụ cho ngành hàng không, với chuỗi giá trị đạt đến con số 5.200 tỷ đô la. Đơn vị chủ chốt là Trung tâm nghiên cứu phát triển máy gia công chính xác (Precision Machinery Research Development Center), kết nối mạng với 4 doanh nghiệp hàng đầu sản xuất máy công cụ tại đây để cùng phát triển và ứng dụng những phần mềm thông minh phục vụ cho việc giám sát hệ thống sản xuất trực tuyến, vì thế năng suất tăng thêm 20%.
Hàn Quốc đã có chính sách ủng hộ các sáng kiến tích hợp công nghệ thông tin với những lĩnh vực sản xuất chủ chốt như ô tô, đóng tàu,… Chính phủ Hàn Quốc lên kế hoạch hỗ trợ vốn cho hơn 2.000 doanh nghiệp nhỏ và vừa, đồng thời thúc đẩy việc ra đời “những nhà máy thông minh” với những dây chuyền sản xuất được tự động hóa hoàn toàn, các máy móc, các phân xưởng, phòng ban đều được kết nối và chia sẻ trên mạng.
Gần đây, Trung Quốc đã khởi động chiến lược “Đổi mới sản xuất tại Trung Quốc đến 2025”. Theo đó, Trung Quốc sẽ tiến hành tái cấu trúc và làm tinh gọn lại các lĩnh vực công nghệ chủ chốt để cải thiện khả năng cạnh tranh toàn cầu. Trong kỷ nguyên CMCN 4.0, Trung Quốc muốn biến mình thành người khổng lồ trong công xưởng sản xuất của thế giới bằng cách sử dụng các công nghệ tiên tiến về robotics, cảm biến sensor và trí tuệ nhân tạo. Theo dự báo đến 2025, 80% các nhà máy sản xuất của Trung Quốc sẽ được tự động hóa và từ năm 2020 Trung Quốc có khả năng sản xuất 100.000 robot mỗi năm.
Singapore quyết định trong 3 năm tới sẽ dành 450 triệu USD để ứng dụng và phát triển robot phục vụ đời sống. Một phần trong chiến lược xây dựng quốc gia thông minh của Singapore là các giải pháp đảm bảo sự phát triển bền vững trong thời kỳ CMCN 4.0.
Ở nước ta thời gian gần đây cũng có nhiều bước tiến lớn trong việc ứng dụng và phát triển robotics. Số lượng các doanh nghiệp sản xuất bắt đầu sử dụng robot ngáy càng tăng, không những trong công nghiệp mà cả trong nông nghiệp, trong chế biến và dịch vụ. Nhiều công ty ở trong nước đã tăng mức đầu tư robot, không phải chỉ mua một được vài chiếc mà như ở Vinfast trang bị 1200 robot cho một dây chuyền. Hãng ABB cũng vừa nhập vào Việt Nam 3000 robot trong một thời gian ngắn. Thị trường robot ngày nay đã phát triển qua nhiều chặng đường lịch sử với cách tư duy rất khác nhau nên có hàng trăm chủng loại, hàng ngàn mẫu mã. Chúng ta là nước đi sau nên nghiên cứu chọn lựa cho thích hợp nhất, đầu tư thấp nhât nhưng hiệu quả cao nhất. Không ít những trường hợp đã mua phải loại robot rất đắt tiền mà chỉ để làm các công việc rất đơn giản. Đã đến lúc, trong nước cần phải tự tổ chức các cơ sở sản xuất robot cho chính mình với kinh nghiệm nhiều năm nghiên cứu phân tích các chủng loại robot trên thị trường quốc tế. Một số cơ sở sản xuất đã bắt đầu chế tạo hoặc lắp ráp robot và đã từng tham dự các triển lãm quốc tế hoặc bán sản phẩm cho nước ngoài.
Không ít những công trình nghiên cứu robot ở trong nước không phải chỉ làm theo mẫu của nước ngoài mà đã có nhiều cải tiến đổi mới sáng tạo. Tác giả bài viết này cũng có 8 đơn đăng ký sáng chế, liên quan đến robot dưới nước và robot trên không, một nửa lần lượt đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng và nội dung chi tiết một vài trong số đó cũng đã trình bày tương đối chi tiết ở 2 cuốn sách của mình: Robot dưới nước, xuất bản năm 2015 và Robot trên không, năm 2016. Ở nhiều trường đại học và cao đẳng công nghệ trong nước đã đưa vào giảng dạy các môn học robotics, một số trường đang hoặc sắp mở ngành đào tạo robotics. Ở đấy cũng xuất hiện nhiều công trình chế thử robot các loại, nhưng có tính tự phát chứ chưa theo một chương trình mục tiêu nào cả.
Khởi nghiệp với robotics có thể là một giải pháp thúc đẩy triển khai CMCN 4.0 nên được khuyến khích. Vấn đề khởi nghiệp (start up) đang được chính phủ nước ta, cũng như ở nhiều nước khác rất quan tâm và có nhiều chính sách ưu đãi. Khởi nghiệp không đơn thuần là lập nghiệp mà phải chứa đựng nhiều yếu tố sáng tạo. Sáng tạo là cơ sở cho đổi mới, là chìa khóa cho cạnh tranh thành công! Trong robot, sự kết nối giữa cơ cấu chấp hành để thực hiện những công việc cụ thể và hệ thống điều khiển nối mạng luôn luôn được tồn tại và thường xuyên được nâng cấp. Giai đoạn này có thể xem là thời kỳ bùng nổ của thị trường robot dịch vụ (service robots), phát triển nhanh hơn nhiều lần so vơi robot công nghiệp (industrial robots). Một số trường đại học trong nước đã sớm tiếp cận và nghiên cứu thành công nhiều loại robot dịch vụ, nhưng chỉ là chế thử, rồi cất vào kho, vì họ không có kinh phí và trang thiết bị để sản xuất, nên rất sẵn lòng hợp tác để tạo ra sản phẩm cho xã hội. Vì thế chúng tôi khuyến cáo nên mở rộng diện khởi nghiệp với robotics.
Xây dựng tư duy hiện đại của CMCN 4.0 qua giáo dục về robotics
Đây là một giải pháp có tính chiến lược cần sớm được triển khai. Nâng cấp kiến thức và kỹ năng làm CMCN 4.0 cho quảng đại quần chúng là yếu tố quan trọng để đảm bảo thắng lợi toàn diện lâu dài. Cần nghiên cứu xây dựng những bài giảng trên các phương tiện truyền thông hoặc trong các lớp học ngắn ngày cho nhiều đối tượng khác nhau, theo hướng xây dựng phát triển từng bước tư duy, kiến thức và kỹ năng cơ bản để tiến hành CMCN 4.0 trong từng lĩnh vực. Một phương pháp rất hiệu quả thường dùng ở một số nước là xây dưng bài giảng được minh họa cụ thể trên cơ sở phân tích khảo sát tình huống (case study) ở những đối tượng nào đó đã có nhiều thành công.
Ở nhiều nước hiện nay, nhằm đào tạo sinh viên các ngành kỹ thuật trong thời đại CMCN 4.0, cũng có xu hướng triển khai theo mô hình CDIO (Conceive – hình thành ý tưởng, Design – thiết kế, Implement – triển khai, Operate – vận hành). Trong thực tế công nghệ sản xuất robot cũng bắt đầu từ việc suy nghĩ tìm ra cách tạo ra loại robot nào để thực hiện nhiệm vụ được giao làm một loại việc cụ thể gì đó, rồi phải chọn lựa sơ đồ thiết kế, tìm loại kết cấu các bộ phận hợp thành để triển khai ché tạo lắp ráp và vận hành rồi lập chương trình điều khiển nó. Như thế, các môn học robotics cũng triển khai theo xu hướng đó.
Kinh nghiệm từ nhiều nước tiên tiến cho hay rằng, đầu tư hiệu quả nhất để xây dựng tư duy hiện đại của CMCN 4.0 là thông qua việc giáo dục cho quần chúng thanh niên về robotics. Vì ở đấy có sự kết nối sinh động giữa các hệ thống chấp hành linh hoạt với hệ thống điều khiển robot, tích hợp và vận dụng được các thành tựu của nhiều lĩnh vực khoa học liên quan. Ví dụ như vận dụng các thành tựu về trí tuệ nhân tạo trong điều khiển robot thông minh, vận dụng các thành tựu công nghệ kết nối vạn vật IoT trong điều khiển hệ thống robot làm việc phối hợp với nhau và với các đối tác đa dạng trong môi trường hoạt động,…
Phong trào Sáng tạo robot phát triển ngày càng rộng rãi và nhanh chóng trong thanh niên sinh viên, học sinh chúng ta. Đặc biệt là các tin chiến thắng bằng công nghệ cao qua 7 lần vô dịch các cuộc thi quốc tế ABU Robocon là nguồn khích lệ lớn cho phong trào này. Gần đây có nhiều trường phổ thông đã tổ chức dạy lắp ráp robot cho nhiều đối tượng học sinh, chủ yếu là dùng chương trình có tên là STEM, một loại hình đồ chơi lắp ráp của Lego. Nếu có chủ trương dùng STEM làm giáo cụ trực quan chính thống để giảng dạy học sinh thì nên xác định định hướng giáo dục ở đây là gì và cần phải đầu tư nghiên cứu đầy đủ và sâu sắc hơn. Bản thân tên gọi STEM là ghép các từ viết tắt: Science – khoa học, Technology – công nghệ, Engineering – kỹ thuật và Math – toán, cũng đã tỏ ra có phần thiếu chuẩn xác về khái niệm, sự ghép nối hơi gượng gạo và chưa phù hợp lắm với nội dung lắp ráp, lập trình cho robot. Thực chất STEM chỉ là phương án mở rộng mặt hàng của Lego, nó gắn bó với công nghệ lắp ráp tạo hình của Lego, chứ chưa bám sát nhiều đến khoa học công nghệ robot.
Cách đây không lâu Hội KHCN robot Nhật Bản có giới thiệu vơi Hội Tự động hóa Việt Nam và Hội KHCN Robot Việt Nam một chương trình giáo dục học sinh phổ thông về robotics theo định hướng xây dựng tùng bước tư duy về CMCN 4.0. Những năm gần đây Chính phủ Hàn Quốc đã cho triển khai rộng rãi vào các trường tiểu học và trung học cơ sở chương trình giáo dục về robotics cho trẻ em, có tên là Roborobo, với nội dung được xây dựng một cách khoa học và đã được xem như một khóa học “Thiết kế kỹ thuật sáng tạo” (Creative Engineering Design). Tuy nhiên, các robot trong các chương trình này đều là hình ảnh thu nhỏ của một vài loại robot thực tế, nên chúng cũng còn rất phức tạp và đắt tiền, mà lại không bao quát được nhiều chủng loại robot.
Tham khảo các kinh nghiệm của nước ngoài, phân tích để học tập những điều phù hợp và nhất là trên cơ sở tích lũy kinh nghiệm nhiều năm nghiên cứu, giảng dạy về robotics, tại ĐHBK Hà Nội cũng đã xây dựng phương án sáng tạo nhiều loại robot đồ chơi theo kiểu chỉ dùng một số module chuẩn hóa. Phương pháp đó vừa thể hiện xu thế hiện đại là module hóa, vừa tạo điều kiện dễ tổ chức sản xuất hàng loạt với giá thành thấp, phù hợp với mức đầu tư, đồng thời có thể tạo ra đa dạng sản phẩm trò chơi quen biết, thích hợp với các lứa tuổi học sinh Việt Nam. Vì vậy cần tạo nguồn đầu tư thích đáng để sớm xây dựng một chương trình hành động giáo dục học sinh về robotics nhằm xây dựng tư duy CMCN 4.0. Chương trình này bao gồm việc hoàn chỉnh thiết kế và tổ chức sản xuất đồng bộ các phương tiện cùng các bài giảng có minh họa hoạt hình trước khi học viên được thực hành lắp ráp và lập trình điều khiển. Bộ sản phẩm robot của chương trình có thể gọi tên vắn tắt là STCR (sáng tạo cùng robot).
Cũng cần nói thêm, để cung cấp đầy đủ hệ thống các thiết bị robot giảng dạy cho các cấp học sinh phổ thông, học ở trường, chơi ở nhà, thì đòi hỏi việc tổ chức cơ sở sản xuất chúng phải có quy mô và chất lượng tốt. Thị trường này chủ động được ở trong nước nên phải tích cực dành dật lại! Nếu làm tốt việc này sẽ để lại những ấn tương tốt đẹp về tinh thần tự cường dân tộc trong lòng tuổi trẻ, điều mà trực tiếp hay gián tiếp, luôn luôn phải được giao dục học sinh thông qua từng môn học. Ở bất cứ lĩnh vực nào điều đó cũng không được xem nhẹ vì yếu tố này đã từng đóng góp vào nhiều thắng lợi, nhất là trong cuộc cạnh tranh toàn cầu trên thế giới thời kỳ CMCN 4.0.
GS.TSKH.NGND. Nguyễn Thiện Phúc (Chủ tịch Hội KHCN Robot Việt Nam)
