Một trong những thách thức lớn nhất đối với các xe tự hành trên sao Hỏa là duy trì khả năng di chuyển. Lớp cát mịn và tơi xốp khiến bánh xe dễ bị trượt, lún hoặc mắc kẹt — vấn đề đã gây khó khăn cho nhiều sứ mệnh thám hiểm hành tinh trong nhiều năm qua. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Würzburg đã tìm thấy lời giải từ một nguồn cảm hứng ít ai ngờ tới: một loài thằn lằn nhỏ sống ở sa mạc Sahara có khả năng “bơi” dưới cát một cách đáng kinh ngạc.

Loài bò sát này, được gọi là thằn lằn cá cát (Scincus scincus), có thể lặn xuống dưới bề mặt cát và tự đẩy mình tiến về phía trước trong lớp cát tơi để tránh kẻ săn mồi cũng như săn bắt con mồi. Chỉ trong những năm gần đây, các nhà khoa học mới làm sáng tỏ được cơ chế vận động đặc biệt này. Dựa trên những hiểu biết đó, nhóm nghiên cứu tại Würzburg đã phát triển một mẫu xe tự hành sao Hỏa thử nghiệm với thiết kế bánh xe lấy cảm hứng từ sinh học, cho thấy hiệu suất vượt trội so với các thiết kế bánh xe truyền thống trên địa hình cát.

Dự án do nhà khoa học máy tính Marco Schmidt, Giáo sư chuyên ngành Hệ thống nhúng và Cảm biến phục vụ Quan sát Trái Đất (ESSEO), chủ trì, phối hợp với các nhà nghiên cứu tại thành phố Bremen trong khuôn khổ sáng kiến VaMEx của Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR).

Lấy cảm hứng từ sinh học: xe tự hành với bánh xe đột phá

Xe tự hành trên sao Hỏa phải có khả năng di chuyển trên nhiều dạng địa hình như cát, đá vụn, sườn dốc và bề mặt gồ ghề, đồng thời vẫn đảm bảo tính ổn định và tiết kiệm năng lượng.

Theo Amenosis Lopez, nhà nghiên cứu trong nhóm của Giáo sư Schmidt: “Các thiết kế bánh xe truyền thống thường được tối ưu cho việc di chuyển ở tốc độ thấp và rất dễ bị trượt, lún hoặc mắc kẹt khi đi trên nền đất mềm.”

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu do Đại học Würzburg dẫn đầu đã phát triển một loại bánh xe mới lấy cảm hứng từ thằn lằn cá cát. Thay vì chỉ đơn thuần lăn trên bề mặt cát, các bánh xe này chuyển động theo kiểu giống như đang “bơi” trong cát.

Lopez giải thích: “Các bánh xe mô phỏng cách loài vật này tương tác với mặt đất, đồng thời tạo ra lực theo cả phương dọc và phương ngang. Khi di chuyển, xe để lại những vệt hình sóng sin trên cát, chứng tỏ cơ chế ‘bơi’ như mong muốn đã được hiện thực hóa.”

Thử nghiệm thực tế và tiếp tục hoàn thiện

Nhóm của Giáo sư Schmidt đã tiến hành đánh giá mẫu xe trên nền cát và tại các bãi thử ngoài trời cùng với các đối tác thuộc Trung tâm Nghiên cứu Trí tuệ Nhân tạo Đức (DFKI) ở Bremen và Đại học Bremen. Kết quả cho thấy xe có thể di chuyển ổn định trên địa hình cát.

Tuy nhiên, theo Giáo sư Schmidt: “Các thí nghiệm cũng chỉ ra nhiều hướng cải tiến rõ ràng.”

Phiên bản bánh xe Sandfish đầu tiên nặng hơn và hẹp hơn so với các bánh xe khí nén có kích thước tương đương. Điều này làm tăng áp lực tác động lên mặt đất, khiến xe dễ bị lún. Khi bánh xe vừa lún vừa trượt, việc điều khiển xe trở nên khó khăn hơn.

Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã thiết kế lại bánh xe theo hướng rộng hơn và nhẹ hơn. Những thay đổi này giúp giảm áp suất lên bề mặt cát, hạn chế hiện tượng trượt, đồng thời cải thiện đáng kể độ ổn định cũng như khả năng điều khiển.

Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng: “Việc tiếp tục tối ưu hóa bề mặt bánh xe sẽ còn nâng cao hơn nữa hiệu suất của xe trên các loại địa hình hỗn hợp.”

Không chỉ cải tiến phần cứng: hướng tới khả năng di chuyển thông minh

Nhóm ESSEO cũng đặt mục tiêu vượt ra ngoài việc cải tiến thiết kế cơ khí để mở rộng nghiên cứu VaMEx sang lĩnh vực điều khiển bằng phần mềm.

Mục tiêu cuối cùng là xây dựng các chiến lược điều khiển có khả năng tính đến hiện tượng trượt, lún và sự tương tác giữa bánh xe với nền địa hình tơi xốp. Những thuật toán này sẽ giúp xe tự hành di chuyển đáng tin cậy hơn, thích ứng linh hoạt hơn trên cát cũng như các môi trường có vật liệu dạng hạt khác, qua đó nâng cao hiệu quả của các sứ mệnh thám hiểm sao Hỏa trong tương lai.