Bên trong robot giải rubik nhanh nhất thế giới

Cỗ máy giải rubik đạt kỷ lục thế giới của nhóm sinh viên. Ảnh: NVCC.

Một nhóm sinh viên Đại học Purdue gần đây đã lập Kỷ lục Guinness Thế giới mới với robot do họ tự thiết kế, có thể giải khối rubik chỉ trong 0,103 giây. Con số này nhanh gấp ba lần so với kỷ lục trước đó được thiết lập bởi một robot khác.

Đằng sau kỷ lục không phải là một robot có chuyển động nhanh hơn. Nhóm sinh viên đã kết hợp hệ thống camera tốc độ cao nhưng độ phân giải thấp, một khối rubik được tùy chỉnh để tăng độ bền, và kỹ thuật giải đặc biệt phổ biến trong giới chuyên giải rubik tốc độ.

Khác biệt trọng yếu so với đối thủ

Cuộc đua chế tạo robot giải rubik bắt đầu từ năm 2014, một robot được lắp ráp từ bộ Lego Mindstorms và sử dụng điện thoại Samsung Galaxy S4, giải được khối Rubik chỉ trong 3,253 giây. Tháng 5/2024, các kỹ sư tại Mitsubishi Electric ở Nhật Bản đã tuyên bố nắm giữ kỷ lục thế giới với một robot giải rubik trong 0,305 giây.

Để đưa thời gian giải rubik của robot xuống dưới nửa giây, nhóm đã từ bỏ việc sử dụng các linh kiện Lego và thay vào đó các bộ phận được tối ưu hóa như động cơ công nghiệp. Nhưng để đạt được mốc chỉ 0,103 giây, nhóm Purdue đã cải tiến lại tốc độ mà robot của họ có thể “nhìn thấy” sự xáo trộn của khối rubik.

Người giải rubik tốc độ có thể quan sát khối rubik trước khi đồng hồ bấm giờ. Tuy nhiên, đồng hồ sẽ tính cả khoảng thời gian robot cần để nhận diện từng ô màu nằm ở đâu trên các mặt.

Nhóm sinh viên đã sử dụng hai camera thị giác máy tốc độ cao của hãng Flir, với độ phân giải chỉ 720x540 pixel, được đặt ở hai góc đối diện của khối rubik. Mỗi camera có thể quan sát đồng thời ba mặt của khối lập phương trong một lần chụp chỉ kéo dài 10 micro giây.

Kỹ thuật nhận diện màu sắc cực nhanh của robot. Ảnh: NVCC.

Camera thông thường vẫn cần thời gian để xử lý dữ liệu từ cảm biến và chuyển nó thành hình ảnh kỹ thuật số. Tuy nhiên, Purdubik’s Cube, tên robot của nhóm sinh viên, sử dụng một hệ thống nhận diện hình ảnh tùy chỉnh bỏ qua hoàn toàn bước xử lý hình ảnh.

Hệ thống này chỉ tập trung vào một khu vực rất nhỏ (128x124 pixel) trong khung hình mà mỗi camera ghi lại, nhằm giảm lượng dữ liệu cần xử lý. Dữ liệu thô từ cảm biến được gửi trực tiếp đến hệ thống phát hiện màu tốc độ cao, sử dụng các giá trị RGB từ những vùng mẫu thậm chí còn nhỏ hơn để xác định màu nhanh hơn cả các phương pháp thông thường lẫn AI.

Phương pháp này tuy kém ổn định, có thể đảm bảo được yêu cầu tiên quyết của nhóm. “Ngay cả khi độ chính xác chỉ đạt 90%, điều đó vẫn đủ tốt. Điều chúng tôi thực sự cần là tốc độ”, Patrohay, một sinh viên trong nhóm chia sẻ.

Tối ưu toàn bộ hệ thống

Patrohay cho rằng mỗi robot lập kỷ lục trước đây thường chỉ cải tiến một yếu tố nổi bật. Robot của nhóm sinh viên MIT (2018) tập trung vào sử dụng phần cứng công nghiệp hiệu suất cao. Nhóm Mitsubishi Electric chọn động cơ điện chuyên biệt, được thiết kế tối ưu hóa cho việc xoay từng mặt khối rubik.

Trong khi đó, nhóm Purdue chọn phần mềm có sẵn, để tối ưu toàn bộ hệ thống, từ camera, xử lý hình ảnh, phần cứng, đến thuật toán giải. Họ dùng Rob-Twophase của Elias Frantar, một thuật toán giải rubik dùng riêng cho robot, cho phép tận dụng các khả năng đặc biệt như xoay hai mặt rubik cùng lúc.

Nhóm cũng tận dụng một kỹ thuật cho phép bắt đầu xoay một mặt của khối rubik trước khi hoàn tất việc xoay một mặt khác vuông góc với nó. Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian đáng kể, nhưng lại gây rủi ro hư hỏng, thậm chí vỡ nát khối rubik nếu căn thời điểm không đúng hoặc dùng lực quá mạnh. Vì vậy bên cạnh đó, nhóm sinh viên còn phải tùy chỉnh lại khối rubik để chịu được lực và hoạt động trơn tru với kỹ thuật này.

Theo quy định của Hiệp hội Rubik Thế giới (WCA), người tham gia có thể tùy chỉnh khối rubik của mình, miễn nó vẫn có thể xoay và hoạt động như một khối tiêu chuẩn, với 9 ô màu trên mỗi mặt, và 6 mặt có 6 màu khác nhau. Người chơi có thể sử dụng vật liệu khác ngoài nhựa, nhưng các phần màu phải có cùng kết cấu bề mặt.

6 động cơ như thế này sẽ được gắn vào các mặt còn lại, nhận nhiệm vụ xoay khối rubik. Ảnh: NVCC.

Để tăng độ bền, nhóm Purdue đã nâng cấp cấu trúc bên trong của khối rubik bằng phiên bản in 3D tùy chỉnh, sử dụng nhựa SLS nylon cứng cáp hơn. Chất bôi trơn và độ căng tăng lên đồng thời giúp giảm hiện tượng xoay quá đà và tăng khả năng kiểm soát.

Purdubik's Cube sử dụng 6 động cơ gắn vào trục kim loại đặt chính giữa mỗi mặt của khối rubik. Sau khi thử nghiệm nhiều phương pháp khác nhau, nhóm đã chọn sử dụng hệ thống chuyển động dạng hình thang để robot có thể căn chỉnh chính xác từng mặt khi dừng lại.

Patrohay tin rằng Purdubik có thể tự phá kỷ lục của chính mình, nếu khối rubik bền hơn, làm từ vật liệu khác ngoài nhựa. “Nếu làm một khối rubik chuyên dụng hoàn toàn từ hợp chất sợi carbon, tôi cho rằng nó sẽ chịu được tốc độ cao hơn. Qua đó, bạn có thể tiếp tục rút ngắn thời gian”, anh cho biết.

Nhật Tường