NHỮNG ROBOT QUÂY CHỤM NHƯ CHIM CÁNH CỤT ĐỂ SỐNG SÓT QUA ĐÊM TRÊN MẶT TRĂNG

Các bầy robot nhỏ là một cách hấp dẫn để thám hiểm các hang động và ống dung nham trên Mặt Trăng: nếu mất một robot, nhiệm vụ chưa chắc đã thất bại. Chẳng hạn, sứ mệnh CADRE của NASA sẽ đưa ba xe tự hành nhỏ phối hợp với nhau để cùng lập bản đồ Mặt Trăng — nhưng chỉ vào ban ngày. Chúng được thiết kế cho một ngày Mặt Trăng duy nhất và sẽ không sống sót qua đêm.

Một đêm dài 354 giờ

Đêm đó kéo dài khoảng 354 giờ, và bề mặt nguội dần về phía 95 kelvin, khoảng −178 °C. Một số xe tự hành đã vượt qua được: Yutu-2 dựa vào hệ thống điều nhiệt có hỗ trợ đồng vị phóng xạ và đã hoạt động trở lại sau các đêm Mặt Trăng, trong khi Pragyan, vốn được thiết kế cho một ngày Mặt Trăng, đã không nối lại liên lạc. Tuy nhiên, bộ sưởi đồng vị phóng xạ không thể nhân rộng cho cả một bầy. Duy trì một bộ sưởi 2 watt cần khoảng 5 gam plutoni điôxit cho mỗi robot, và mục tiêu sản xuất của Mỹ, khoảng 1,5 kilogam mỗi năm, được tính cho các hệ thống đồng vị phóng xạ cỡ lớn, chứ không phải cho những robot có thể hy sinh.

Anaïs Jeger, thuộc Trung tâm Bits and Atoms của MIT và Nhóm Khái niệm Tiên tiến (Advanced Concepts Team) của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, cùng Harry Holt thuộc cùng nhóm và Lennart Puck thuộc Phòng thí nghiệm Robot Hành tinh của ESA, đã đặt ra một câu hỏi khác: liệu các robot có thể dùng chính thân thể của nhau làm tấm chắn nhiệt không?

Một điểm số duy nhất, trao lúc bình minh

Trong mô phỏng của họ, hai mươi robot cùng nhau trải qua trọn một đêm Mặt Trăng. Mỗi robot tự giữ mình ở 0 °C bằng một bộ sưởi chừng nào năng lượng dự trữ còn đủ; sau đó nó nguội đi, và dưới −40 °C thì được tính là đã chết. Tốc độ mất nhiệt của nó phụ thuộc vào mức phơi ra bầu trời: phần bầu trời mở mà nó nhìn thấy, từ 1 đối với một robot đứng riêng lẻ đến 0 đối với một robot bị các robot bên cạnh vây kín. Khi đứng một mình, một robot bức xạ đi 1,92 watt.

Cả hai mươi robot chạy cùng một mạng nơ-ron nhỏ. Mỗi robot chỉ thấy thông tin cục bộ — nhiệt độ, năng lượng và mức phơi của chính nó, vị trí của các robot lân cận và tình trạng của chúng — và cho ra một hướng để di chuyển. Mạng được huấn luyện bằng “chiến lược tiến hóa” (evolution strategies): thử nhiều bản sao bị thay đổi chút ít, rồi đẩy nhẹ bộ tham số chung về phía những bản đạt điểm cao nhất, và lặp lại.

Điểm số được cố tình làm cho thưa thớt. Nó chỉ đến một lần, vào cuối đêm: nhiệt độ trung bình của năm robot lạnh nhất. Không có gì trong đó nhắc đến vị trí, khoảng cách, mức phơi hay chuyển động.

Như chim cánh cụt, mà không ai bảo

Dù vậy, hai hành vi vẫn xuất hiện. Từ một điểm xuất phát rải rác, bầy robot tụ lại trong vòng khoảng năm giờ. Rồi nó không bao giờ đứng yên: các robot liên tục luân chuyển giữa phần lõi được che chắn và vành ngoài lộ thiên. Các tác giả chỉ ra rằng đây chính là cặp hành vi giúp chim cánh cụt hoàng đế sống sót qua mùa đông Nam Cực — chúng quây chụm lại, và không ngừng đổi chỗ giữa vòng ngoài lạnh giá và phần trung tâm được che chắn. Loài chim cánh cụt đã gợi ra câu hỏi; còn các robot thì chưa bao giờ được thưởng vì bắt chước chúng.

Chính sự luân chuyển tạo nên khác biệt. Một quy tắc viết tay chỉ khiến các robot nghiêng vào trong, không bao giờ đẩy chúng ra lại, cũng tạo ra cùng một cụm như thế, nhưng vành ngoài vẫn lạnh hơn phần lõi suốt đêm, và trong một lần chạy thử, chín trên hai mươi robot đã bị mất. Trong quá trình huấn luyện, mức phơi trung bình theo thời gian của robot ở vị trí tệ nhất giảm từ khoảng 0,71 xuống 0,26, gần với mức trung bình của cả bầy là 0,23 — dù mức phơi không hề nằm trong điểm số.

Các robot cũng không hề chạy tán loạn: trung bình chúng đi được 4,3 mét mỗi giờ, trong khi nếu chạy liên tục ở tốc độ đã đặt thì sẽ đi được 54: phần lớn thời gian chúng đứng yên và đổi vị trí bằng những đợt di chuyển ngắn, và quãng dịch chuyển thực của chúng qua cả đêm chưa tới một mét.

Bao nhiêu năng lượng là đủ

Các tác giả đã đo ngưỡng sống sót: lượng năng lượng dự trữ nhỏ nhất cho mỗi robot mà tại đó mọi robot vẫn còn sống lúc mặt trời mọc, trên mười cách bố trí xuất phát chưa từng gặp trong quá trình huấn luyện. Họ biểu diễn nó bằng một đơn vị mà họ gọi là pcm-h, tương đương 7,2 kilojoule — lượng năng lượng một bộ sưởi 2 watt dùng trong một giờ.

• Các robot để rải rác: 328,5 pcm-h.
• Một cụm đứng yên: 246,0 pcm-h.
• Bầy robot đã học, gộp từ mười lần huấn luyện: 155,6 ± 1,3 pcm-h.

Tức là ít hơn 37% so với cụm bất động, và chỉ cao hơn 12,7% so với một cận dưới do riêng vật lý đặt ra (138,1 pcm-h): lượng năng lượng cần thiết nếu cả hai mươi robot chia đều mức phơi của cách xếp chặt nhất có thể. Ở mức 163 pcm-h, một cụm đứng yên mất sáu robot; bầy luân chuyển giữ được cả hai mươi.

Một quy tắc viết tay đơn giản khác cho kết quả gần như y hệt, ở mức 154,5 pcm-h: mọi robot nghiêng nhẹ vào trong, và robot nào giữ ít năng lượng nhất trong số những robot nó chạm vào thì dốc toàn lực chui về phía lõi.

Ít điều kiện hơn dự kiến

Hành vi này vẫn đứng vững khi bỏ bớt từng thành phần. Không có một mốc định hướng chung để dựa vào, ngưỡng hầu như không thay đổi: nó nằm trong khoảng 154,3 đến 156,7 pcm-h tùy cách bố trí ban đầu, so với 155,4 đến 155,7 khi có mốc, dù các robot di chuyển nhiều hơn. Một mạng không có bộ nhớ tốn thêm khoảng 3% năng lượng. Được huấn luyện trên hai mươi robot, chính những mạng đó vận hành các bầy ba mươi và bốn mươi robot mà không cần huấn luyện lại, cần ít hơn 5,0% và 8,0% năng lượng cho mỗi robot — so với 5,5% và 10,7% theo giới hạn vật lý.

Các robot thậm chí không cần chạm vào nhau. Khi bị buộc phải giữ cách nhau 25 milimét, chúng vẫn vượt qua cả đêm với cùng những mạng đó, với lượng năng lượng dự trữ nhiều hơn khoảng 13%, vì tấm chắn giờ có những khe hở.

Bánh xe trên đất Mặt Trăng

Mọi thứ ở đây đều diễn ra trong mô phỏng. Các robot liên tục xê dịch suốt đêm, nghĩa là 354 giờ bánh xe làm việc trên lớp regolith của Mặt Trăng (lớp bụi và đá vụn phủ trên bề mặt). Mô hình không tính đến hao mòn hay sự thay đổi của ma sát và tiếp xúc. Liệu bánh xe và thân robot có chịu nổi trọn một đêm cày xới như thế hay không, điều mà các tác giả nêu ra như câu hỏi mở chính, vẫn chưa được kiểm chứng.