Robot không gian và bản thiết kế cho tự động hóa công nghiệp bền bỉ hơn

Ảnh: Automation.com

24 năm - đó là quãng thời gian mà cánh tay robot Canadarm2 của NASA đã hoạt động trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) mà không gặp một sự cố nghiêm trọng nào ảnh hưởng đến nhiệm vụ. Trong suốt thời gian đó, nó đã thực hiện hàng trăm thao tác tinh vi: từ việc chiếm giữ tàu vũ trụ, lắp ráp các mô-đun của trạm cho đến tiến hành những sửa chữa phức tạp - tất cả đều trong môi trường vi trọng lực khắc nghiệt.

Thoạt nhìn, dây chuyền lắp ráp sản xuất dưới mặt đất và Trạm Vũ trụ Quốc tế có vẻ như hoàn toàn khác biệt - thậm chí là ở hai thế giới khác nhau, nhưng cả hai đều phụ thuộc vào những yếu tố không thể thay thế: độ chính xác, khả năng thích ứng và sự bền bỉ. Thế nhưng, trong khi Canadarm2 tiếp tục hoàn thành sứ mệnh của mình năm này qua năm khác mà không hề thất bại, tự động hóa công nghiệp trên Trái Đất lại đang chao đảo dưới sức nặng của biến động thị trường, hệ thống lỗi thời và hoạt động rời rạc.

Sự thật là gì? Các nhà sản xuất không nhất thiết phải đầu tư vào công cụ mới hay mạo hiểm với công nghệ non trẻ. Bản thiết kế cho một hệ thống tự động hóa an toàn hơn, bền bỉ hơn và vận hành thông minh hơn đã lặng lẽ bay trên quỹ đạo, cách họ 250 dặm suốt bao năm qua.

Kỹ thuật cho sự vô tận và xa hơn thế nữa

Hai trong số những công cụ mang tính đột phá nhất, kết nối giữa robot không gian và sản xuất công nghiệp, chính là AI hành động độc lập (agentic AI) và bản sao số (digital twins). Những bản sao ảo của môi trường và hệ thống vật lý này từ lâu đã được NASA sử dụng để mô phỏng các tình huống bất ngờ - thay đổi lực hấp dẫn, dao động nhiệt độ, mức bức xạ. Sau đó, AI hành động độc lập tăng tốc cách tiếp cận “mô phỏng trước” (simulation-first) bằng việc tự động chạy các chu kỳ thử nghiệm, điều chỉnh thông số để quan sát khả năng thích ứng của AI trước các điều kiện thay đổi và kiểm thử độ bền logic ra quyết định. Nhờ vậy, họ có thể nâng cao mức độ tự chủ và lập kế hoạch nhiệm vụ để xử lý vấn đề trong một môi trường an toàn, kiểm soát trước khi triển khai thực tế.

Các nhà sản xuất hoàn toàn có thể áp dụng cùng một nguyên tắc bằng cách dùng bản sao số để phản chiếu dây chuyền sản xuất, một cỗ máy, hoặc một quy trình cụ thể, các nhóm có thể thử nghiệm quy trình mới, nhận diện điểm kém hiệu quả, dự đoán gián đoạn và tối ưu hóa vận hành - tất cả mà không lo ngại thời gian ngừng máy hay hao tốn tài nguyên. Thực tế, McKinsey báo cáo rằng các nhà máy sử dụng bản sao số đã giảm chi phí vận hành hàng tháng 5-7%, rút ngắn thời gian phát triển tổng thể 20-50%, và trong một số trường hợp, số mẫu thử vật lý đã giảm từ hai hoặc ba xuống chỉ còn một.

Khi được tích hợp với những công nghệ đã được chứng minh hiệu quả khác như điều hướng tự động, điều khiển chính xác cao và hợp nhất cảm biến, AI hành động độc lập và bản sao số không chỉ còn là công cụ lập kế hoạch, mà trở thành “mạch kết nối” mang lại lợi ích của học tập liên tục, khả năng thích ứng và sự bền bỉ trực tiếp đến sàn nhà máy.

Ba đột phá trong tự động hóa mà các nhà sản xuất đang bỏ qua

Nếu robot vũ trụ có thể hoạt động hoàn hảo ở khoảng cách hơn 15 tỷ dặm tính từ Trái Đất, như các tàu thăm dò Voyager, hoặc điều hướng hơn 45 km trên bề mặt sao Hỏa chưa từng được khám phá, thì chúng hoàn toàn có thể được thích nghi để duy trì sản xuất trên Trái Đất. Trong khi bản sao số đóng vai trò như mô liên kết cho việc huấn luyện, xác thực và tinh chỉnh hiệu suất, càng trở nên mạnh mẽ hơn nhờ khả năng tự chủ và thích ứng của các tác nhân AI, thì ba khái niệm cốt lõi tạo nên nền tảng của robot vũ trụ lại mang tiềm năng đột phá trong sản xuất công nghiệp. Bao gồm:

1. Hệ thống dẫn đường, điều hướng và kiểm soát (GN&C - Guidance, navigation and control)

Chúng hoạt động như bộ não ra quyết định, tích hợp dữ liệu từ cảm biến để tạo ra sự hiểu biết chính xác và toàn diện về môi trường. GN&C cho phép cánh tay robot trên Trạm Vũ trụ Quốc tế có thể ghép nối tàu vũ trụ hoặc thao tác với hàng hóa với độ chính xác đến từng milimét, ngay cả khi đang quay quanh Trái Đất với tốc độ 17.500 dặm/ giờ.

Khi ứng dụng vào nhà máy, GN&C có thể giúp robot vượt ra ngoài các kịch bản lập trình cứng nhắc và thực hiện những lệnh ở mức cao như “lắp ráp sản phẩm này”, đồng thời tự động điều hướng tại các sàn nhà máy phức tạp, tránh chướng ngại vật và điều chỉnh quy trình làm việc theo thời gian thực. Hiện nay, đã có những bước đi ban đầu đúng hướng: hệ thống robot Sequoia của Amazon sử dụng điều hướng thích ứng trong kho hàng, giúp giảm 25% thời gian xử lý đơn hàng và tăng 75% tốc độ xử lý tồn kho.

2. Mô phỏng dựa trên điều kiện vật lý

Tương tự bản sao số, các mô phỏng này cho phép kỹ sư “gia cố” thiết kế trước khi thực tế thử thách chúng, bằng cách kiểm tra nhiệm vụ trong mọi biến số có thể - từ sự thay đổi trọng lực, nhiệt độ khắc nghiệt cho đến các đợt bức xạ - trước khi phóng. Khi dữ liệu thực tế quá tốn kém hoặc mất thời gian để tạo ra, dữ liệu tổng hợp (SDG - synthetic data generation) có thể lấp đầy khoảng trống bằng cách cung cấp cho mô phỏng những trường hợp ngoại lệ cần thiết để mô hình hóa các kịch bản phức tạp. Trên thực tế, các phương pháp mô phỏng tiên tiến đã chứng minh khả năng giảm thiểu thách thức bất ngờ, cải thiện độ chính xác trong lập kế hoạch nhiệm vụ lên đến 30%.

Trong môi trường công nghiệp, các mô phỏng này có thể dự đoán cách cánh tay robot vận hành dưới tải trọng khác nhau, cách vật liệu phản ứng với nhiệt độ cực cao, hoặc cách luồng khí trong phòng sạch ảnh hưởng đến chất lượng. Bản sao số sau đó có thể nâng cấp các mô phỏng này bằng cách liên tục cập nhật dữ liệu theo thời gian thực, tạo ra những mô hình “sống” phát triển song song với bản thể vật lý của chúng.

3. Xử lý dữ liệu tiên tiến

Xe tự hành và vệ tinh trong vũ trụ dựa vào công nghệ hợp nhất cảm biến - kết hợp công nghệ viễn thám dựa trên ánh sáng (LiDAR - Light Detection and Ranging) và hình ảnh quang học, tạo thành một bức tranh có tính ứng dụng về môi trường. LiDAR hoạt động bằng cách phát xung laser và đo thời gian chúng phản xạ sau khi chạm vào vật thể, từ đó tạo ra bản đồ ba chiều cực kỳ chính xác. Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong điều kiện thiếu sáng hoặc phức tạp, nơi mà camera truyền thống thường gặp khó khăn.

Những công nghệ này có thể được ứng dụng vào các môi trường khắc nghiệt (brownfield environment) - vốn không thân thiện với robot. Trong các hoạt động khai thác mỏ ở khu vực Mỹ Latinh, robot chó gắn LiDAR đã được sử dụng để di chuyển trong các đường hầm không ổn định, thu thập dữ liệu cấu trúc mà không gây nguy hiểm cho công nhân.

Khi được kết hợp, ba khả năng này tạo ra một nền tự động hóa không chỉ thực hiện mệnh lệnh từng chữ một, mà còn biết học hỏi, dự đoán và hành động chủ động. Trong khi ngành ô tô và hàng không vũ trụ đang đi trước trong việc ứng dụng các công nghệ này, thì việc triển khai vẫn chưa đồng đều. Nhiều nhà sản xuất vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm hoặc triển khai hạn chế. Những công ty sớm áp dụng bản sao số, tự chủ kiểu GN&C, mô phỏng dựa trên điều kiện vật lý và hợp nhất cảm biến sẽ không chỉ thu được lợi ích về năng suất trong ngắn hạn mà còn thiết lập tiêu chuẩn mới về sự linh hoạt khi đối mặt với gián đoạn.

Đưa bản thiết kế trở nên thực tiễn

Con đường thực tiễn nhất để áp dụng bắt đầu từ việc giải quyết một thách thức cụ thể - chẳng hạn như các nút thắt lặp đi lặp lại, công tác kiểm tra nguy hiểm, hoặc các quy trình tiêu tốn nhiều tài nguyên. Hãy tạo một bản sao số của môi trường đó, huấn luyện nó bằng dữ liệu tổng hợp và AI hành động độc lập để nó có thể tự lập kế hoạch và điều chỉnh quy trình, sau đó tích hợp tính tự chủ kiểu GN&C cùng với các cảm biến phù hợp để hệ thống có thể “nhìn thấy” và đưa ra quyết định. Xác thực trong môi trường ảo, triển khai ngoài thực tế và luôn duy trì sự kết nối với bản sao số để mô hình tiếp tục học song song với máy móc. Đây chính là kỷ luật đã giúp các hệ thống không gian vận hành ổn định trong những điều kiện khắc nghiệt nhất, và cũng là cách để tự động hóa công nghiệp trên Trái Đất trở nên an toàn hơn, bền bỉ hơn và thông minh hơn.

Từ những cánh tay robot sửa chữa vệ tinh cho đến các rover mang về mẫu đất đá từ sao Hỏa, robot không gian đã vượt xa vai trò thăm dò đơn thuần. Trong khi tự động hóa trong sản xuất ngày càng phổ biến, robot không gian cho thấy điều gì có thể đạt được khi các hệ thống tự chủ, AI hành động độc lập vận hành không chỉ như công cụ thụ động, mà như những cộng sự chủ động - có khả năng tự xử lý sự cố, học hỏi từ các kịch bản mới và tự lập trình lại theo thời gian thực dựa trên tình huống. Đối với các nhà sản xuất và tổ chức công nghiệp, điều này đồng nghĩa với việc tăng cường các biện pháp an toàn, cải thiện độ chính xác và đảm bảo chất lượng ngay trong khoảnh khắc cần thiết - chứ không phải khi đã quá muộn.

Theo Automation.com