Thiếu niên 16 tuổi chế tạo robot rùa sinh học, AI nhận diện vi nhựa chính xác 94%

Theo tin từ IT ngày 22 tháng 7, vào mùa hè năm 2024, bên hồ bơi tại nhà ông bà ở Canada, Evan Budz, 16 tuổi, đang cố gắng giải quyết một vấn đề vô cùng đặc biệt: làm thế nào để chiếc "robot rùa" tự hành do cậu thiết kế có thể thực sự bơi được.

"Tôi vẫn nhớ những lần thử nghiệm đầu tiên," Budz chia sẻ trong một cuộc phỏng vấn với Business Insider. "Tôi thả robot xuống nước, nó chìm thẳng xuống đáy hồ, hoàn toàn không biết bơi, cũng không thể kiểm soát độ sâu, chẳng khác nào một cục gạch."

Đối với hầu hết thanh thiếu niên, đây rõ ràng không phải là vấn đề họ thường gặp phải. Nhưng với Budz, nó đã trở thành đề tài nghiên cứu mà cậu tâm huyết nhất.

Đầu năm 2024, một chuyến đi cắm trại cùng gia đình tại vùng hoang dã Ontario, Canada đã khơi dậy niềm đam mê mãnh liệt của cậu đối với các loài động vật thủy sinh. Cậu kể: "Khi đó tôi nhìn thấy một con rùa cá sấu đang bơi dưới nước, những cử động của nó thật uyển chuyển, tự nhiên và vô cùng thanh thoát. Tôi được truyền cảm hứng rất lớn và hy vọng có thể thiết kế ra một robot mô phỏng cách di chuyển của nó."

Sau nhiều lần thử nghiệm tại hồ bơi sân sau, cùng hàng tháng trời không ngừng tinh chỉnh, cải tiến và nâng cấp, nghiên cứu này cuối cùng đã gặt hái thành quả vào tháng 5 năm nay.

Nhờ vào bộ camera chụp ảnh toàn ảnh 3D dưới nước cùng mô hình AI tự huấn luyện có khả năng nhận diện các hạt vi nhựa trong nước, và việc lắp đặt các thiết bị này lên robot rùa tự hành, Budz đã giành được học bổng trị giá 50.000 USD (IT chú thích: tỷ giá hiện tại tương đương khoảng 339.000 nhân dân tệ) tại cuộc thi Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF) năm 2026.

Cậu cho biết, riêng việc chế tạo robot và camera toàn ảnh đã tiêu tốn khoảng 2.000 giờ làm việc cho mỗi hạng mục.

Budz chia sẻ rằng việc chọn bảo vệ môi trường làm hướng nghiên cứu là điều gần như tất yếu. "Tôi luôn yêu thích các hoạt động ngoài trời," cậu nói. "Từ năm 6 tuổi, tôi đã theo bố mẹ đi cắm trại ở những vùng xa xôi. Chúng tôi thường chèo thuyền kayak đến những hồ nước tuyệt đẹp và hùng vĩ."

Sau đó, khi xem một bộ phim tài liệu về đại dương và hệ sinh thái biển, cậu biết được rằng các vùng nước đã tràn ngập ô nhiễm vi nhựa.

Theo thống kê của Ocean Conservancy, mỗi năm có khoảng 11 triệu tấn rác thải nhựa đổ ra đại dương, ảnh hưởng đến hơn 1.300 loài sinh vật biển.

Năm 2024, Budz đã dành khoảng 5 tháng để chế tạo chú robot rùa này. Cậu cho rằng rùa là đối tượng mô phỏng sinh học lý tưởng nhất để thực hiện các nhiệm vụ kiểu này: "Hiệu suất bơi của rùa rất cao, điều này cực kỳ quan trọng đối với việc thiết kế robot mô phỏng sinh học. Tôi hy vọng robot có thể thực hiện các nhiệm vụ đường dài mà không cần sạc thường xuyên hay lo lắng về việc cạn kiệt pin."

Cậu nói: "Ngoài ra, rùa sinh sống rộng rãi trong nhiều hệ sinh thái nước khác nhau, vì vậy các sinh vật địa phương khác không cảm thấy xa lạ với chúng, giúp giảm thiểu sự xáo trộn."

Mặt khác, rùa có kích thước tương đối lớn, thuận tiện cho việc lắp đặt các thiết bị nghiên cứu khoa học như cảm biến và hệ thống chụp ảnh toàn ảnh.

Để dáng bơi của robot tự nhiên hơn, Budz còn tìm kiếm sự giúp đỡ từ các chuyên gia tại thủy cung địa phương. Cậu cho biết: "Sau đó, tôi đã phát triển một loạt thuật toán để robot có thể tự bơi theo lộ trình tìm kiếm đã định sẵn, đồng thời tự động điều chỉnh độ sâu. Về cơ bản, nó có thể tự tiến về phía trước theo mục tiêu người dùng thiết lập mà không cần điều hướng hay kiểm soát thủ công."

Mùa hè năm 2025, Budz bắt đầu phát triển hệ thống chụp ảnh toàn ảnh 3D và huấn luyện mô hình AI. Cậu cho biết quá trình này trải qua rất nhiều thử nghiệm, đặc biệt là việc điều chỉnh và tối ưu hóa để AI có thể phân biệt chính xác vi nhựa với các sinh vật nhỏ khác trong nước.

"Quá trình này bao gồm việc liên tục tối ưu hóa phần cứng, nâng cao độ phân giải hình ảnh để nhận diện các hạt siêu nhỏ và vi nhựa chỉ khoảng 10 micromet." Quy trình kiểm tra tổng thể bắt đầu bằng việc sử dụng hệ thống chụp ảnh toàn ảnh để thu thập hình ảnh 3D, sau đó chuyển cho mô hình AI nhận diện xem có vi nhựa hay không.

Tuy nhiên, thời gian thực tế dành cho việc thử nghiệm lại rất hạn chế. Budz cho biết mùa đông ở miền bắc Canada rất lạnh, vì vậy cậu phải hoàn thành tất cả các thử nghiệm thực địa trước khi mặt hồ đóng băng.

"Tôi sống ở miền bắc Canada, mùa đông ở đây rất lạnh, nên tôi phải đến các hồ nước địa phương để hoàn thành việc thử nghiệm phiên bản robot mô phỏng sinh học cuối cùng trước khi thời tiết trở nên khắc nghiệt."

Đến thời điểm diễn ra cuộc thi Regeneron International Science and Engineering Fair, hệ thống này đã có thể phân biệt vi nhựa và các hạt nhỏ khác với độ chính xác 94%.

Budz cho biết mục tiêu nghiên cứu của cậu là làm cho việc phát hiện vi nhựa trở nên nhanh chóng và phổ biến hơn. Cậu cho rằng các phương pháp kiểm tra chính thống hiện nay chủ yếu dựa vào phân tích phòng thí nghiệm, quy trình rất phức tạp.

"Vì phải gửi đến phòng thí nghiệm để kiểm tra, ngay cả với một lượng mẫu nhỏ cũng có thể mất vài ngày mới phân tích xong, hơn nữa chi phí lại rất cao," cậu nói. "Đối với các vùng sâu vùng xa, phương pháp này gần như không khả thi vì ở đó không có phòng thí nghiệm cũng như thiếu nhân viên kỹ thuật chuyên môn."

Ngược lại, hệ thống do cậu phát triển có thể hoàn thành việc phát hiện vi nhựa trực tiếp trong nước mà không cần gửi mẫu về phòng thí nghiệm. Chính ý tưởng đổi mới này đã giúp Budz giành được một trong những giải thưởng cao quý nhất của cuộc thi năm nay — Giải thưởng Gordon E. Moore cho những kết quả tích cực cho thế hệ tương lai (Gordon E. Moore Award for Positive Outcomes for Future Generations).

Cuộc thi Regeneron International Science and Engineering Fair, do Regeneron Pharmaceuticals và Society for Science đồng tổ chức, năm nay đã trao hơn 7 triệu USD tiền thưởng cho các học sinh đoạt giải.

Cuộc thi này mở rộng cho học sinh trung học trên toàn thế giới, năm nay có hơn 1.700 học sinh tham gia.

Chia sẻ về trải nghiệm nhận giải, Budz nói: "Lúc đó thực sự cảm giác như đang mơ vậy. Tôi đứng trên bục nhận giải, nghe người dẫn chương trình xướng tên người chiến thắng giải Gordon E. Moore, trong lòng tôi cứ nghĩ: 'Trời ơi, đó thực sự là mình sao? Mình thực sự đã thắng giải sao?' Lúc đó trong đầu tôi thoáng qua rất nhiều suy nghĩ, thậm chí có chút không dám tin. Nhưng nhìn chung, đó là một trải nghiệm vô cùng khó quên."

Hiện tại, Budz vẫn tập trung vào việc học ở trường trung học. Cậu dự định sử dụng khoản học bổng 50.000 USD này để vào đại học theo đuổi ngành khoa học hoặc kỹ thuật, đồng thời hy vọng có thể chia sẻ kết quả nghiên cứu của mình với nhiều nhà nghiên cứu hơn nữa, thúc đẩy sự phát triển của các lĩnh vực liên quan.

Tuyên bố quảng cáo: Nội dung bài viết có chứa các liên kết chuyển hướng bên ngoài (bao gồm nhưng không giới hạn ở siêu liên kết, mã QR, mật khẩu, v.v.), được sử dụng để truyền tải thêm thông tin, tiết kiệm thời gian lựa chọn, kết quả chỉ mang tính tham khảo. Tất cả các bài viết của IT đều bao gồm tuyên bố này.