Nhiều dự đoán cho rằng, trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh, kỹ thuật “giũa gọt” (subtractive manufacturing) sẽ biến mất bởi sự lên ngôi của kỹ thuật “chồng lớp” (addictive manufacturing) mà nổi bật là công nghệ in 3D. Thế nhưng, sự ra đời của “cát thông minh” đã chứng minh điều ngược lại.
Bỏ một vật vào chiếc túi chứa đầy cát thông minh (CTM)… và lắc đều. Vài giây sau, lấy từ túi ra một bản sao hoàn chỉnh của đối tượng ban đầu. Nghe có vẻ hơi giống một bộ phim khoa học viễn tưởng, nhưng 100% là sự thật. Cát thông minh (Smart sand) – sáng chế mới nhất của phòng thí nghiệm Distributed Robotics Laboratory thuộc Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) - chính là đối thủ “nặng ký” của máy in 3D trong công nghệ tạo vật thể ba chiều.
Cát thông minh
Thực ra, CTM không phải là cát tự nhiên, mà là hệ thống các nanobot (robot tí hon) tự tháo ráp. Mỗi hạt cát là một máy tính nhỏ hình khối lập phương chuẩn có khả năng lưu trữ năng lượng, dẫn động, truyền thông, tính toán.
Phiên bản CTM đang thử nghiệm tại MIT có cạnh 10 mm, nặng 0,4 g, gồm một bản mạch (a) bao phủ xung quanh khung lập phương bằng đồng (b). Mặt trên bản mạch có gắn nam châm vĩnh cửu (c), tụ điện (d), và các linh kiện điện tử. Bên trong mỗi hạt cát là bộ vi xử lý đơn giản với chỉ 32Kb mã chương trình và 2Kb bộ nhớ làm việc, có thể thực hiện các phép tính độc lập.
Khi bị rung hoặc lắc, nam châm được kích hoạt, hạt cát sẽ có khả năng kết dính, truyền lực và giao tiếp với nhau để lắp ráp thành bản sao chính xác của vật thể gần như tức thời.
Hạt cát hình khối lập phương, cạnh 10 mm, nặng 0,4g. | 
Cấu trúc CTM. |
Thông minh như thế nào?
Trong khi các robot biến hình khác sử dụng phương pháp “chồng lớp”, tức lắp ráp lại với nhau để tạo hình dạng (tương tự các khối LEGO) thì CTM theo cách ngược lại: phương pháp “tự tháo gỡ”. Hãy tưởng tượng một khối đá thô được đẽo gọt bởi đôi tay khéo léo của nhà điêu khắc để trở thành tác phẩm nghệ thuật tuyệt đẹp, đó là cách mà CTM làm việc.
Nhúng một vật vào túi CTM và lắc đều. Nhờ lực hút nam châm, các hạt cát tự lắp ghép thành khối bao quanh vật mẫu (hình 1).
Khi bao quanh vật mẫu, bằng thuật toán hình học, các hạt CTM liên lạc với nhau để xác định chu vi vật thể đang được nhúng trong cát. Bộ vi xử lý trong các hạt cát sẽ tính toán để tạo mô hình bản sao mới cách vật thể một khoảng tự động (hình 2).
Các hạt cát nhận tín hiệu sẽ gắn kết với nhau để tạo bản sao hoàn chỉnh của vật thể tại vị trí được tính toán (hình 3).
Hình 1: các hạt cát (màu trắng) bao quanh vật thể mẫu (màu đen). | | Hình 2: bộ vi xử lý tính toán chu vi vật thể (màu vàng), và tạo bản sao mới tại vị trí màu tím. | | 
Hình 3: các hạt cát lắp ghép thành bản sao mới (màu cam)
|
Khi bản sao lắp ghép hoàn tất, những hạt cát không thuộc bản sao sẽ tự ngắt nam châm và tách rời khỏi bản sao. Bắt đầu từ hạt ngoài cùng đảm bảo không sót lại hạt nào (hình 4).
Kết quả: những hạt cát còn dính với nhau chính là bản sao mới của vật thể (màu xanh).
Hình 4: những hạt cát (màu vàng) không cần thiết sẽ tách rời bản sao | | 
Hình 5: Những hạt cát còn dính với nhau chính là bản sao mới của vật thể (màu xanh). |
Các hạt CTM đang thử nghiệm được lập trình để có thể tạo bản sao lớn gấp 20 lần vật mẫu.
Tại hội nghị robot hàng đầu thế giới (ICRA - IEEE International Conference on Robotics and Automation) tổ chức vào tháng 5 năm 2012, các nhà nghiên cứu đã trình bày rất nhiều thí nghiệm chứng minh CTM có thể tạo bản sao chính xác và hiệu quả với bất cứ hình dạng vật thể nào.
Một số mô hình làm từ CTM được trưng bày tại phòng thí nghiệm MIT
Đối thủ của in 3D
So với lắp ráp robot truyền thống, lợi thế của CTM là phương pháp “tháo gỡ”. Việc “ngắt kết nối” và lợi dụng trọng lực để tháo gỡ cấu trúc thừa sẽ nhanh, đơn giản và chắc chắn hơn là tìm và gắn kết các bộ phận thành vật thể.
Nếu so với công nghệ in 3D vốn được ca ngợi bởi ưu điểm tiết kiệm vật liệu, CTM có thể xem là đối thủ “một 9 một 10”. Cát thừa sau khi tách khỏi bản sao dễ dàng tái sử dụng để lắp ráp một mẫu vật khác, hoàn toàn không hao tốn vật liệu. Sử dụng nam châm vĩnh cửu cũng giúp CTM tiêu tốn ít năng lượng hơn các máy in 3D.
Đặc biệt, công nghệ này rất thích hợp cho các bộ phận dùng làm cấu trúc hỗ trợ tạm thời. Chẳng hạn như một bộ khung dễ tháo ráp cho cánh tay bị gãy xương thay vì tốn vật liệu cho một thiết bị cố định. Là một máy tính siêu nhỏ, các hạt cát còn có thể tích hợp thêm chức năng cung cấp thông tin về tình trạng y tế cho bác sĩ. Điều này khiến CTM được đánh giá cao hơn in 3D vốn chỉ tạo ra vật thể cố định và không có tính tương tác.
Rào cản công nghệ
Thách thức lớn nhất hiện nay đối với CTM là hạn chế về tài nguyên tính toán:
“Với vật thể phức tạp, nếu mỗi hạt cát chỉ đơn giản lưu trữ bản vẽ kỹ thuật số của đối tượng lắp ráp thì các thuật toán rất dễ dàng” – Daniel Rus giáo sư Khoa Kỹ thuật Máy tính tại MIT cho biết. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu lại muốn CTM có thể tự động lắp ráp các cấu trúc khó hơn nữa mà không cần biết trước hình dạng. Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để phát triển các thuật toán phức tạp với khả năng xử lý và dung lượng bộ nhớ hạn chế?
Thách thức thứ hai là kích cỡ và hình dạng. Công nghệ CTM đã được nghiên cứu từ năm 2007. Hiện tại, hạt CTM có dạng khối để dễ giao tiếp với nhau, nhưng MIT vẫn không ngừng cải thiện hình dạng hạt cát và giảm kích thước đến 1 mm bằng cách thu nhỏ nam châm và các linh kiện. Giáo sư Roberd Wood thuộc phòng Thí nghiệm Microrobotics (Đại học Harvard) cho biết: “Cần rất nhiều cải tiến kỹ thuật để hạt CTM đạt đến kích cỡ nhỏ hơn nhiều so với 10mm hiện nay, tuy nhiên đó là điều hoàn toàn khả thi. Với những hạt CTM đủ nhỏ, chúng ta có thể tạo ra một bề mặt không chỉ mượt mà, chính xác mà còn cực kỳ 'thông minh'”.
Hãy nghĩ về ý nghĩa của CTM với sự đổi mới của thế kỷ 21. Thay vì mua một sản phẩm thay thế cho bộ phận bị hỏng bạn chỉ cần cho nó vào một túi cát và lắc. Các nhà khoa học, những phi hành gia làm việc ở nơi hẻo lánh sẽ bỏ lại phía sau hộp công cụ cồng kềnh, thay vào đó là túi CTM và một số mô hình nhỏ. Muốn một cái ốc vít, chỉ cần bỏ mô hình vào túi, lắc, và…”úm ba la” ra sản phẩm. Khi ốc vít không dùng nữa chỉ cần ngắt kết nối để tái sử dụng cho một dụng cụ khác. “CTM sẽ tác động đáng kinh ngạc đến việc sản xuất các thiết bị phức tạp” - giáo sư Robert Wood phát biểu.
Là một công nghệ đáng để chờ đón, nhưng CTM cũng còn nhiều vấn đề cần xem xét, đặc biệt là việc xử lý rác thải điện tử.
Đăng Hưng, STINFO Số 1&2/2013