Giải mã tấm cảm biến uốn dẻo của MIT: Khi ánh sáng dựng mô hình 3D theo thời gian thực

Giải mã chuyển động của cơ thể người hay các bề mặt biến dạng linh hoạt luôn là một thách thức lớn với công nghệ cảm biến truyền thống. Thay vì gắn hàng loạt cảm biến kim loại cứng lên trang phục mô phỏng chuyển động, các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát minh ra một tấm cảm biến uốn dẻo bằng cao su silicone có khả năng tự ghi nhận và tái tạo hình dạng 3D của chính nó theo thời gian thực. Bí mật nằm ở chùm ánh sáng di chuyển bên trong các sợi quang mềm mại được tạo nhám một bên, giúp máy tính đọc được từng nếp uốn nắn hay xoắn vặn của bề mặt một cách chính xác. [1]

Rào cản của cảm biến cứng và cách tiếp cận mới

Trong các hệ thống bắt chuyển động cơ thể để tạo nhân vật ảo hoặc điều khiển thiết bị, giới công nghệ thường may các cảm biến cứng vào những vị trí chiến lược trên bộ đồ chuyên dụng. Tuy nhiên, các linh kiện cứng này dễ gây cản trở chuyển động tự nhiên, tạo cảm giác thô ráp và thiếu an toàn khi tiếp xúc trực tiếp với con người hoặc môi trường mềm. Việc thu thập dữ liệu bề mặt liên tục theo không gian ba chiều vì thế gặp nhiều hạn chế. [1]

Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu tại MIT – gồm nghiên cứu sinh Qifan Yu, nghiên cứu sinh Nina Cao và Giáo sư trợ lý Kaitlyn Becker – đã chọn hướng đi hoàn toàn khác. Họ quyết định phát triển một bề mặt cảm biến hoàn toàn mềm dẻo và co giãn. Thay vì đo đạc tại các điểm riêng lẻ bằng mạch điện cứng, toàn bộ bề mặt được tích hợp các sợi quang mềm đan xéo, cho phép ghi nhận sự thay đổi hình dạng trên toàn bộ diện tích vật liệu mà vẫn giữ được sự êm ái khi sử dụng. [1]

Cấu trúc sợi quang cao su và bí mật từ một mặt nhám

Về nguyên lý cơ bản, sợi quang thông thường có lõi thủy tinh trong suốt được bao bọc bởi lớp vỏ tối màu. Ánh sáng chiếu vào một đầu sẽ phản xạ liên tục bên trong lõi nhẵn bóng và đi ra đầu bên kia với hiệu suất gần như tuyệt đối. Trước đây, các nhà khoa học từng dùng sợi quang để đo độ cong của một đường đơn giản, dựa trên hiện tượng sợi càng uốn cong thì lượng ánh sáng thoát ra ở đầu đối diện càng giảm. Dẫu vậy, phương pháp này chỉ dừng lại ở việc nhận biết độ cong theo đường thẳng chứ chưa thể dựng lại hình dạng bề mặt 3D phức tạp. [1]

Các kỹ sư MIT đã đưa ra một cải tiến mang tính bước ngoặt đối với cấu trúc sợi quang. Thay vì dùng thủy tinh cứng, họ tự chế tạo sợi quang có lõi bằng cao su trong suốt uốn dẻo được và lớp vỏ bao quanh cũng bằng cao su nhuộm đen. Điểm đặc biệt nhất là họ cố tình làm nhám một bên của bề mặt lõi cao su. Khi sợi quang bị uốn về phía mặt nhám, ánh sáng truyền qua sẽ tán xạ ra ngoài theo tỷ lệ khác hẳn so với khi sợi bị uốn về phía mặt nhẵn cùng một góc. Nhờ sự bất đối xứng này, sợi quang cao su có thể hoạt động như một cảm biến đo độ uốn hai chiều đầy linh hoạt. [1]

Mạng lưới hình zích zắc và thuật toán tái tạo 3D

Sau khi thử nghiệm mô phỏng nhiều dạng bố trí sợi quang khác nhau – từ dạng ô bàn cờ đến các đường chéo đan xen –, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng cấu trúc đan zích zắc với khoảng cách tối ưu cho khả năng tái tạo hình dạng bề mặt chính xác nhất. Họ nhúng các sợi quang cao su chế tạo theo hình zích zắc này vào bên trong một tấm silicone mềm. Ở một đầu mỗi sợi quang, một đèn LED được lắp đặt để phát ánh sáng, trong khi đầu kia gắn cảm biến quang học kết nối với mạch điện bên ngoài nhằm thu nhận và khuếch đại tín hiệu sáng thu được. [1]

Đi kèm với phần cứng là một thuật toán toán học do nhóm phát triển, có nhiệm vụ tự động xử lý sự thay đổi cường độ ánh sáng từ các sợi quang theo thời gian thực. Từ mức độ suy giảm và tán xạ ánh sáng ghi nhận được, thuật toán tính toán ra độ cong chính xác của từng đoạn sợi, sau đó tổng hợp lại để dựng nên mô hình kỹ thuật số 3D của toàn bộ tấm vật liệu. Khi người nghiên cứu gập đôi tấm silicone theo đường chéo hay xoắn vặn theo các hướng ngược nhau, mô hình ảo trên máy tính ngay lập tức mô phỏng lại đúng hình dạng đó mà không có độ trễ đáng kể. [1]

Độ chính xác và khả năng chống chịu tổn hại

Để đánh giá tính thực tế của phát minh, các nhà nghiên cứu đã đặt tấm cảm biến mềm lên các khuôn in 3D có hình dạng chuẩn để so sánh trực tiếp khoảng cách giữa bề mặt vật lý thật và mô hình ảo được tái tạo. Kết quả công bố trên tạp chí Advanced Intelligent Systems cho thấy sai số trung bình của tấm cảm biến mềm MIT chỉ dưới 0,4 cm. Đây là bước cải tiến rõ rệt so với các bộ đồ cảm biến cứng truyền thống vốn có mức sai số dao động từ 1 đến 2 cm. [1]

Không dừng lại ở độ chính xác, thiết kế này còn sở hữu độ bền vượt trội trước các hư hại vật lý. Trong các thử nghiệm, ngay cả khi một vài sợi quang bên trong tấm cao su bị đứt gãy hoặc ngắt kết nối, thuật toán vẫn có thể tận dụng dữ liệu từ những sợi quang còn lại để phục dựng chính xác hình dạng tổng thể của tấm vật liệu. Tính chất này đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và bền bỉ trong những điều kiện sử dụng thực tế vốn nhiều va chạm. [1]

Ứng dụng tương lai từ y học đến robot mềm

Nhóm nghiên cứu MIT hiện đang tiếp tục tối ưu hóa công nghệ này bằng cách thu nhỏ kích thước sợi quang. Các sợi quang trong thử nghiệm hiện có độ dày khoảng 1 milimét, nhưng với các quy trình chế tạo tiên tiến hơn, chúng có thể được kéo mảnh xuống chỉ vài chục micromét – mỏng hơn cả một sợi tóc người. Khi kích thước sợi được thu nhỏ, hàng ngàn sợi quang có thể được dệt trực tiếp vào trang phục mà không làm mất đi tính mềm mại, thoải mái cho người mặc. [1]

Tiềm năng ứng dụng của tấm cảm biến uốn dẻo này là rất lớn. Trong lĩnh vực y học phục hồi chức năng, một dải cảm biến mềm có thể quấn quanh tay hoặc chân bệnh nhân để ghi lại chính xác biên độ chuyển động qua từng buổi tập trị liệu. Dữ liệu này giúp các chuyên gia theo dõi sát sao tiến trình phục hồi của bệnh nhân so với nhiều tháng trước đó. Bên cạnh đó, công nghệ còn mở ra khả năng chế tạo trang phục điều khiển nhân vật trong trò chơi điện tử hay vận hành các robot mềm từ xa một cách an toàn và tự nhiên. Nghiên cứu này nhận được sự hỗ trợ một phần từ tổ chức MathWorks. [1]