Robot tự lắp và căn chỉnh thí nghiệm laser như thế nào?

Một bàn thí nghiệm có thể bắt đầu bằng những gương, thấu kính và nguồn sáng đặt rời rạc. Nhưng sau một chuỗi thao tác tự động, các linh kiện ấy tạo thành khoang laser hoạt động: robot đã tự nhận diện, lắp đặt và căn chỉnh hệ quang học thay cho người vận hành. [1]

Điều đáng chú ý không chỉ là cánh tay robot biết gắp đồ vật. Nó còn phải đưa từng gương và thấu kính vào đúng vị trí, chỉnh góc rất nhỏ, rồi tiếp tục theo dõi chùm sáng khi bàn thí nghiệm bị rung hoặc một linh kiện bị dịch chuyển. Đây là cách một phòng thí nghiệm quang học có thể chuyển từ lắp đặt thủ công sang vận hành tự động. [1]

Vì sao một thí nghiệm quang học khó căn chỉnh?

Trong một thí nghiệm quang học, ánh sáng thường phải đi qua một chuỗi linh kiện theo đường đã định. Gương đổi hướng chùm sáng, còn thấu kính làm chùm sáng hội tụ hoặc thay đổi đặc tính của nó. Chỉ một sai lệch nhỏ ở vị trí hay góc đặt cũng có thể khiến ánh sáng không đến đúng nơi, làm kết quả đo suy giảm hoặc khiến toàn bộ bố trí phải chỉnh lại. [1]

Các thí nghiệm dùng laser để khảo sát vật liệu có thể cần nhiều ngày hoặc nhiều tháng chuẩn bị, tùy độ phức tạp. Người làm thí nghiệm phải lặp lại việc đặt linh kiện, quan sát chùm sáng, chỉnh núm điều khiển và kiểm tra kết quả. Nhiều phòng thí nghiệm đã có bộ điều chỉnh cơ giới cho từng linh kiện, nhưng những bộ phận đó thường chỉ tự động hóa một công đoạn, chưa tự đưa hệ thống từ trạng thái chưa lắp đến trạng thái căn chỉnh hoàn chỉnh. [1]

Robot nhận biết từng linh kiện ra sao?

Hệ thống của MIT dùng một cánh tay robot có bảy khớp chuyển động, gắn trên mặt bàn kim loại. Mỗi gương, thấu kính và linh kiện quang học được đặt trong một vỏ nhựa in 3D. Vỏ có hình dạng để cánh tay robot dễ kẹp và di chuyển mà không làm hỏng bộ phận nhạy cảm. [1]

Trên mặt vỏ có mã QR chứa thông tin về linh kiện bên trong, chẳng hạn đó là gương hay thấu kính, cùng kích thước và các thông số kỹ thuật liên quan. Đế nam châm giúp vỏ bám ổn định lên bàn kim loại sau khi được đặt xuống. Nhờ vậy, robot không chỉ biết đang cầm vật gì mà còn có thể đưa vật đó vào một vị trí lặp lại được. [1]

Hai camera đặt phía trên cung cấp góc nhìn bao quát toàn bộ bàn thí nghiệm. Một nhóm chương trình điều khiển, thường được gọi là software stack, kết hợp thông tin từ camera với kế hoạch thao tác: nhận dạng linh kiện, chọn cách tiếp cận, gắp, di chuyển, đặt xuống và tránh va chạm với các bộ phận đã lắp. [1]

Căn chỉnh đến độ chính xác micromet bằng cách nào?

Việc gắp đúng vị trí chỉ là bước đầu. Để tinh chỉnh, nhóm nghiên cứu phát triển một dụng cụ điều chỉnh gắn vào giá đỡ của các linh kiện quang học tiêu chuẩn. Dụng cụ này có thể nhận lệnh không dây và xoay các núm cơ giới, chẳng hạn núm thay đổi góc của gương. [1]

Cách làm này biến thao tác vốn dựa nhiều vào cảm giác và kinh nghiệm của con người thành một chuỗi chuyển động có thể điều khiển bằng chương trình. Dụng cụ đạt độ chính xác ở cấp micromet, tức khoảng một phần triệu mét đối với các điều chỉnh vị trí. Tuy nhiên, con số này mô tả khả năng tinh chỉnh của hệ thống, không có nghĩa mọi thí nghiệm đều tự động đạt cùng một độ chính xác trong mọi điều kiện. [1]

Người vận hành cũng có thể dùng giao diện ảo để chỉ định bố trí. Khi kéo biểu tượng của một chiếc gương đến vị trí mới rồi xác nhận, robot sẽ thực hiện thao tác tương ứng trên bàn thật. Giao diện này tạo cầu nối giữa ý tưởng thí nghiệm và chuỗi hành động cơ học mà robot phải hoàn thành. [1]

Khoang laser được dựng như thế nào?

Để thử thách hệ thống, nhóm nghiên cứu chọn một khoang laser trên bàn thí nghiệm. Khoang này gồm hai gương đặt ở hai phía của một tinh thể. Khi ánh sáng đi vào, nó phản xạ qua lại giữa hai gương và đi qua tinh thể ở mỗi lượt. Tinh thể khuếch đại cường độ ánh sáng, đến mức phần ánh sáng thoát ra có thể tạo thành chùm laser. [1]

Robot phải phối hợp nhiều linh kiện và điều chỉnh đường đi của ánh sáng thay vì chỉ đặt đồ vật cạnh nhau. Trong lần trình diễn, hệ thống hoàn thành 50 thao tác để tạo một khoang laser hoạt động trong vòng 30 phút. Chi tiết này cho thấy mục tiêu của nhóm không chỉ là cơ giới hóa một núm chỉnh, mà là tự động hóa cả chuỗi dựng và căn chỉnh một cấu hình quang học. [1]

Một ví dụ dễ hình dung là việc xếp các mặt gương để một tia sáng đi qua đúng cửa sổ nhiều lần liên tiếp. Nếu một mặt gương lệch, tia sáng sẽ rời khỏi đường dự kiến. Robot phải dựa vào quan sát và điều chỉnh từng bước để đưa hệ thống trở lại trạng thái có thể hoạt động; ví dụ này chỉ nhằm minh họa nguyên lý, không phải mô tả thêm một phép đo cụ thể của nhóm nghiên cứu.

Làm sao hệ thống tự ổn định chùm sáng?

Sau khi lắp xong, robot không nhất thiết dừng lại. Các nhà nghiên cứu cố ý tạo nhiễu động vật lý, chẳng hạn di chuyển ngẫu nhiên một linh kiện trên bàn. Hệ thống sau đó tự điều chỉnh lại các bộ phận để duy trì cường độ laser. [1]

Điều này quan trọng vì rung động rất nhỏ hoặc thay đổi nhiệt độ cũng có thể làm suy giảm một thí nghiệm quang học. Một phòng thí nghiệm tự động có thể liên tục theo dõi hiệu suất, phát hiện đường căn chỉnh đã lệch và sửa trước khi dữ liệu có giá trị bị mất. Khả năng này biến robot từ người lắp đặt thành một bộ phận giám sát thường trực của thí nghiệm. [1]

Triển vọng nào, giới hạn nào?

Hệ thống hiện được mô tả qua một trình diễn trên mặt bàn, với các linh kiện tiêu chuẩn và những tác vụ quang học cụ thể như căn giữa chùm sáng, căn chỉnh nhiều chùm và ổn định chùm sáng. Nhóm nghiên cứu đang mở rộng khả năng cảm nhận, thao tác và không gian làm việc của robot, nên chưa thể xem đây là một phòng thí nghiệm tự vận hành cho mọi loại thí nghiệm quang học. [1]

Các nhà nghiên cứu hình dung một thư viện linh kiện đặt gần đó, nơi một robot khác có thể lấy và chuyển các bộ phận đến bàn thí nghiệm. Sau khi hoàn tất một phép thử, robot có thể tháo dỡ cấu hình, lắp một cấu hình mới hoặc duy trì việc theo dõi liên tục. Họ cũng đang phát triển ứng dụng trên nền tảng đám mây để người dùng ở xa gửi quy trình hoặc yêu cầu cho phòng thí nghiệm vật lý. [1]

Nếu hướng phát triển này thành công, các phép thử vật liệu cho màn hình, máy ảnh, pin mặt trời hoặc thiết bị thực tế tăng cường có thể được chạy nhanh và đều hơn. Nhưng giá trị cốt lõi hiện nay nằm ở một bước cụ thể: robot đã cho thấy nó có thể bắt đầu từ linh kiện đặt ngẫu nhiên và kết thúc bằng một hệ laser được căn chỉnh, trong khi vẫn phản ứng với nhiễu động của môi trường. [1]