Thuật toán mới dựng khung thanh nối xếp gọn rồi bung ra

Hãy tưởng tượng một cái lều xẹp lại còn bằng một bó que, nhét vừa ba lô, rồi khi tới nơi cắm trại thì bạn kéo hai đầu và nó tự bung thành hình cũ. Chưa có cái lều nào như vậy, nhưng một nhóm nghiên cứu vừa tìm ra cách vẽ ra những bộ khung biết làm đúng động tác đó, và họ vẽ theo một lối khác hẳn cách người ta vẫn làm.

Nếu bạn từng cầm quả cầu Hoberman, món đồ chơi bằng nhựa nhiều màu bóp lại nhỏ bằng nắm tay rồi kéo ra to bằng quả bóng, thì bạn đã cầm đúng cơ cấu mà bài này nói tới.

Nó là cái gì

Sản phẩm không phải một cái máy có nút bấm. Nó là những bộ khung ghép từ các thanh cứng, nối với nhau bằng khớp kiểu kéo (scissored joint), tức là hai thanh bắt chéo nhau và găm một chốt ở chỗ giao, y như hai lưỡi kéo. Khi bạn đẩy hoặc kéo một đầu, cả mạng lưới khớp cùng chuyển động một lượt, thanh nào cũng xoay quanh chốt của nó, và cả khối co lại hoặc giãn ra.

Nhóm nghiên cứu đặt tên chính thức cho họ cấu trúc này là "bề mặt kéo cắt gập được và lưới pantograph" (collapsible scissored surfaces and pantographic lattices). Pantograph là tên gọi của bộ khung hình chữ X nối tiếp nhau, thứ bạn thấy ở cần lấy điện trên nóc tàu điện hoặc ở cái kích nâng ô tô.

Những mẫu họ đã dựng ra có ba dạng chính: hình xoắn ốc (helix), hình xuyến (toroid) tức là hình cái bánh vòng, và thứ họ gọi là "eggbox", bề mặt gợn sóng đều đặn giống khay đựng trứng. Tất cả được chế tạo bằng máy in 3D đa vật liệu, loại máy in được nhiều loại nhựa cứng mềm khác nhau trong cùng một lần in, nên chỗ cần cứng thì cứng, chỗ làm khớp thì mềm và xoay được.

Cần nói ngay một điều mà nhiều bài viết bỏ qua: bản tin gốc không cho biết các mẫu này to bằng chừng nào, nặng bao nhiêu, hay đã làm ra bao nhiêu cái. Chúng nằm trên bàn phòng thí nghiệm ở Đại học Harvard (Mỹ) và Đại học Tokyo (Nhật Bản), là bản mẫu (prototype) để chứng minh cách làm chạy được. Chưa có ai bán chúng, và cũng chưa có ai lắp chúng vào một món đồ dùng thật.

Người dẫn đầu nghiên cứu là Noah Toyonaga, nghiên cứu sinh ngành Vật lý. Nhóm còn có Colter J. Decker và Robert J. Wood ở Harvard, Seri Nishimoto và Tomohiro Tachi ở Đại học Tokyo. Tác giả chính là giáo sư Lakshminarayanan Mahadevan. Công trình đăng trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.

Trước đây người ta làm thế nào

Muốn có một vật xếp gọn được, giới thiết kế lâu nay hay mượn hai môn nghệ thuật giấy cổ của Nhật Bản. Origami là gấp giấy, chỉ dùng nếp gấp. Kirigami là gấp và cắt giấy, thêm nhát cắt vào. Từ hai môn này người ta rút ra được nhiều quy tắc hay: nếp gấp đặt ở đâu thì tờ giấy phẳng biến thành hình gì, nhát cắt đặt ở đâu thì tấm phẳng chuyển động được theo hướng nào.

Giáo sư Mahadevan tóm gọn như sau, đây là lời của ông: "Origami cho thấy nếp gấp có thể mã hoá hình dạng. Kirigami cho thấy nhát cắt có thể mở khoá chuyển động và chức năng. Công trình này đặt một câu hỏi bổ sung: làm được gì khi viên gạch cơ bản không phải nếp gấp hay nhát cắt, mà là một khớp nối?"

Còn về cách vẽ, lối cũ là đi từ trên xuống. Bạn hình dung ra vật thể hoàn chỉnh trước, rồi mới ngồi chia nhỏ nó thành từng thanh, từng khớp, rồi tính xem đặt chốt ở đâu cho cả khối chuyển động được mà không kẹt. Càng nhiều khớp thì bài toán càng rối, vì đổi một chốt là kéo theo cả dây chuyền.

Nó hơn ở điểm nào

Nhóm của Toyonaga làm ngược lại. Họ viết một thuật toán đi từ dưới lên: thêm từng khớp một, mỗi lần thêm chỉ cần tuân vài quy tắc hình học tại chỗ, không cần biết trước hình tổng thể sẽ ra sao. Ghép đủ khớp thì hình dạng tự hiện ra. Toyonaga nói: "Hình dạng tổng thể có thể được hiểu thông qua các quy tắc thuần tuý cục bộ, những quy tắc định hình cả một cấu trúc từ một chuỗi các quyết định hình học đơn giản."

Cái mới nằm ở đây, ở cách nghĩ, chứ không nằm ở bản thân món đồ nhựa. Thuật toán chỉ cần một tập nhỏ tham số thiết kế, và theo bài báo, nó cho phép dò tìm toàn bộ không gian các cơ cấu khả dĩ, tức là tất cả những kiểu khớp nối có thể chuyển động được, chứ không chỉ vài kiểu quen thuộc.

Vì sao xếp gọn lại đáng giá đến thế? Trên tàu ngầm, máy bay chở hàng hay tàu tiếp tế trạm vũ trụ, thứ giới hạn nhiều khi không phải cân nặng mà là chỗ chứa. Chở được nhiều đồ hơn trong một chuyến nghĩa là bớt được số chuyến, mà mỗi chuyến vừa tốn kém vừa nguy hiểm.

Đến đây phải nói thẳng một chuyện: bài báo không đưa ra một con số nào. Không có tỷ lệ co gọn, không có kích thước, không có số mẫu chế tạo, không có kinh phí. Phần lập luận về thể tích so với khối lượng ở trên, cùng danh sách những thứ có thể làm ra sau này như bàn ghế, mũ bảo hiểm, nhà ở, bộ đồ phi hành gia, là suy luận của người viết bản tin, không phải kết quả nghiên cứu.

Còn vướng ở đâu

Vướng nhiều. Đây mới là thuật toán cộng với mấy mẫu in thử, chưa phải sản phẩm. Không ai đo độ bền, mà khớp là chỗ mòn trước tiên: một cái khớp nhựa gập ra gập vào vài nghìn lần thì có còn giữ được hình không, bản nguồn im lặng. Không ai nói giá thành, cũng không nói máy in 3D đa vật liệu có làm nổi bản khổ lớn hay không, vì hiện chỉ có bản nhỏ.

Và cần cẩn thận với chính bản tin gốc: nó do trường đại học đã làm ra nghiên cứu phát đi. Nơi làm ra một thứ thường kể phần hay và kể ít phần dở.

Muốn thử ngay cơ cấu này, bạn lấy que kem hoặc bìa cứng cắt thành thanh, ghim chéo từng cặp bằng ghim giấy thành hình chữ X nối tiếp nhau, rồi kéo ra đẩy vào. Câu hỏi để nghĩ tiếp: ở nhà bạn, món đồ nào đáng được xếp gọn nhất, và nó phải bung ra bao nhiêu lần mỗi ngày thì mới bõ công làm phức tạp thêm?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.