Cơ điện tử - Hướng phát triển tất yếu

Người đăng: Nguyễn Dũng

Trong 12 công trình, cụm công trình vừa được tặng Giải thưởng Hồ Chí Minh về khoa học và công nghệ (KH&CN) năm 2005, có 2 cụm công trình thuộc lĩnh vực cơ điện tử (CĐT). Điều đó chứng tỏ hiện các đề tài về cơ điện tử ở Việt Nam đã có ý nghĩa lớn về khoa học công nghệ, về hiệu quả kinh tế - xã hội và đã trở thành một xu thế phát triển của ngành cơ khí và tự động hoá. Nhân sự kiện này, tác giả điểm lại sự phát triển trên thế giới và gợi mở một vài vấn đề nhằm phát triển hiệu quả lĩnh vực công nghệ cao này ở nước ta trong thời gian tới.

Đối với Việt Nam, việc tham gia vào WTO sẽ là điều kiện và cơ hội, đồng thời cũng tạo ra những áp lực trong việc phát triển bền vững nền kinh tế. Chúng ta cũng không thể đứng ngoài cuộc với các yêu cầu của nền kinh tế toàn cầu hoá vận hành theo cơ chế thị trường. Anthony M. Snatomero, Chủ tịch Ngân hàng Liên bang Philadelphia đã dự báo về nền kinh tế thế giới thế kỷ XXI: "Cách mạng công nghệ tác động và đóng vai trò quan trọng đến động lực đầu tiên có khả năng thay đổi sự tiến hoá của cơ cấu kinh tế - sự toàn cầu hoá". Hoàn toàn có thể dự đoán, chìa khoá của cách mạng công nghệ giai đoạn tới không phải là toàn những phát kiến cao siêu, mà nó phải khởi phát từ những tiến hoá trong quá trình nghiên cứu, sản xuất, thể hiện bởi sự tích hợp hữu cơ của đa ngành dưới góc độ và tư duy mới, tổng quát.

Khái niệm CĐT đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ XX và là minh chứng cho sự tích hợp hữu cơ - sự tiến hoá như vậy. Có thể nói, sản phẩm CĐT là đặc trưng của nền kinh tế hậu công nghiệp, là sản phẩm của thế kỷ XXI. Nó có mặt trong tất cả các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, y học, sinh học,... và ngày càng hoàn thiện, thông minh hơn để phục vụ con người ngày càng tốt hơn. Các sản phẩm CĐT không chỉ tốt hơn về các chỉ tiêu kỹ thuật mà đặc trưng hơn là cần có tính thông minh, có khả năng giao tiếp với thế giới và có tính định hướng thị trường.

Chưa nói đến vi cơ điện tử (micromechatronics), nano cơ điện tử (nanomechatronics) vốn đã lôi kéo rất nhiều ngành liên quan, trong thế kỷ XXI, chúng ta sẽ chứng kiến nhiều hơn nữa sự phát triển tương hỗ rất mạnh của nhiều ngành khác xoay quanh CĐT: quang CĐT (opto-mechatronics), sinh học CĐT (bio-mechatronics), khoa học vũ trụ,... Một số ứng dụng tiêu biểu của CĐT - tiêu điểm của các ngành: trong ngành hàng không - vũ trụ (quân sự và dân sự): CĐT rất tự nhiên từ lâu là động lực phát triển chính. Các hệ thống lái tự động, định vị tự động, phát hiện tránh đường, điều phối không lưu,... và rất nhiều kỹ thuật, trang thiết bị mới, tinh vi đã ra đời sớm nhất trong ngành này. Tuy nhiên, do đặc thù riêng mà không được phổ biến rộng rãi trong công nghiệp nói chung. Cũng vậy, với kỹ thuật quân sự: các hệ thống vũ khí, khí tài do thám, tấn công thông minh, phòng thủ phản ứng nhanh (các hệ thống tên lửa đánh chặn, tìm diệt,...) và rất nhiều bí mật quân sự khác thực sự từ lâu đã được phát triển theo lối tiếp cận CĐT hiện đại, chứ không phải đến khi nó được đề xuất và nghiên cứu sau này trong dân dụng. Trong ngành cơ khí: robot, máy công cụ CNC (computerized numerical control), hệ thống đo 3D phục vụ kiểm tra chính xác cao hoặc cho thiết kế ngược,... Trong ngành tự động hoá: giám sát và điều khiển tích cực quá trình (tại từng thiết bị cho đến quy mô toàn nhà máy),... Trong ngành công nghệ thông tin: mô phỏng, mô hình hoá, cung cấp công cụ tối ưu hoá, cung cấp công cụ cho tạo mẫu nhanh, sản xuất phân tán kỹ thuật số, phần mềm điều khiển nhúng, các hệ thống giám sát và định vị toàn cầu,...Trong công nghiệp tiêu dùng: điều hoà kỹ thuật số, lò vi sóng, nồi cơm điện, máy giặt, tủ lạnh thông minh,... Trong công nghiệp ôtô: các hệ thống lái tự động, các hệ thống an toàn kiểu mới,... Trong y sinh học: thiết bị xét nghiệm, chẩn đoán, điều trị, phục hồi chức năng, cùng với việc tích hợp các công cụ khai thác thông tin, dữ liệu di truyền sinh học để kiểm soát tổng thể các phương tiện chăm sóc sức khoẻ (ứng dụng máy ghi nhiệt và trí tuệ nhân tạo để phát hiện sớm khối u; tạo môi trường ảo để phục hồi từ xa cho người già bị giảm nhận thức; các công cụ có trợ giúp bởi máy tính để phân tích chứng bệnh tim mạch, châm cứu,...)...

Sự hình thành và phát triển CĐT

Sự thay đổi nhanh chóng trong nhiều lĩnh vực của kỹ thuật là do ảnh hưởng ngày càng tăng của công nghệ thông tin (CNTT) và kỹ thuật điện tử tiên tiến. Các phương pháp cổ điển và cách thức tiếp cận truyền thống không còn đáp ứng được thực tiễn công nghiệp ngày nay. Sự thách thức kỹ thuật mà chúng ta phải đối mặt trong tương lai ngày càng tăng. Nhiều vấn đề mới đòi hỏi phải được giải quyết bằng cách tiếp cận liên ngành. Các rào chắn giữa các chuyên ngành bị xoá bỏ khi chúng gây cản trở, các quy luật mới được xây dựng và ngành CĐT ra đời.

CĐT liên kết các yếu tố cấu thành của ngành cơ khí, điện tử, điều khiển và khoa học máy tính, tạo nên một công nghệ mới, trong đó có sự chuyển biến về chất của tư duy công nghiệp mà trọng tâm là tư duy công nghệ (xem hình trang16). Bằng tư duy công nghệ mới và sự phối hợp liên ngành chúng ta sẽ tạo nên đổi mới và xúc tiến các phương pháp giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp và đưa ra sản phẩm CĐT mới, tiên tiến phục vụ nền công nghiệp hiện đại.

Có rất nhiều định nghĩa về CĐT, một số rất rộng, một số lại rất hẹp. Các định nghĩa cũng thay đổi qua các thời kỳ phát triển của bản thân ngành CĐT. Quan niệm về nó cũng theo đó mà nâng dần lên, từ mộc mạc như: "CĐT chỉ là sự thực hành lối thiết kế tốt" cho đến việc cho rằng: "CĐT được hình thành ban đầu như một lĩnh vực công nghệ nhưng sự phát triển của nó ngày càng đòi hỏi phải giải quyết những vấn đề khoa học".

Về lý luận: CĐT là chuyên ngành tích hợp trong một phạm trù nghề nghiệp rộng. Các khía cạnh và vấn đề chuyên môn của nó thật ra không phải là mới xuất hiện, trái lại phần nhiều trong số đó vốn là những nội dung truyền thống trước đây đã từng được đề cập đến, được nghiên cứu và xử lý trong nhiều ngành khoa học, kỹ thuật đơn lẻ. Điều mới mẻ chính là ở quan điểm tích hợp các chuyên ngành đơn lẻ ấy trong điều kiện không ngừng cập nhật các thành tựu KH&CN mới cũng như áp dụng các giải pháp kỹ thuật đa dạng, phong phú và ngày càng tinh xảo. Chính vì vậy, việc đi tới nhât quán giữa các quan điểm tích hợp khác nhau của các trường phái chuyên môn là một quá trình kiến giải và thảo luận không hề đơn giản, nó gắn liền một cách hữu cơ với tính chất năng động, sáng tạo và phát triển liên tục của bản thân chuyên ngành CĐT.

Nhìn từ khía cạnh thực tiễn của vấn đề, ý tưởng cơ bản của CĐT là ứng dụng những hệ điều khiển thông minh để tạo ra hiệu suất và năng lực mới từ các thiết bị cơ khí. Có thể hiểu rằng, sử dụng công nghề hiện đại để cải tiến hiệu năng, tính linh hoạt của sản phẩm và quá trình nhằm tạo ra hiệu quả kinh tế cao. Trong nhiều trường hợp, sẽ ứng dụng máy tính và công nghệ điều khiển thông minh tạo giải pháp hoàn hảo hơn lối tiếp cận thuần tuý cơ khí. Nó giải thoát nhà thiết kế khỏi những giới hạn cận biên của kỹ thuật cơ khí, ví dụ như độ chính xác gia công, mài mòn, bôi trơn, trễ của cơ cấu,... Một ví dụ điển hình là dòng các sản phẩm máy công cụ CNC - sản phẩm công nghệ cao của ngành cơ khí chế tạo máy hiện đại. Với việc ứng dụng CNC, hệ thống đo lường, cảm biến tinh vi, phần mềm CAD/CAM, các hệ truyền động tiên tiến, các máy công cụ vạn năng hạn chế hơn vì độ chính xác, tính linh hoạt, khả năng gia công đã được "lột xác" thành những máy công cụ hiện đại và cao hơn là trung tâm gia công với hệ thống cấp phôi, dao cụ hoàn chỉnh. Thế hệ máy công cụ CNC này cho phép mở rộng khả năng gia công, sản xuất tự động ngay cả với sản phẩm đơn chiếc hay loạt nhỏ, hoặc gia công những chi tiết phức tạp với độ chính xác cao mà trước đây không thực hiện được hoặc phải sản xuất trên máy chuyên dùng đắt tiền, chi phí sản xuất cao.

Phần cơ khí vẫn luôn là "cốt lõi", nhưng được "đơn giản hoá" nhờ ứng dụng những kỹ thuật mới và khả năng "bù đắp hài hoà" do phần mềm và kỹ thuật điều khiển tự động mang lại. Ngày nay trên máy công cụ CNC ta không thấy những xích truyền động phức tạp như ở máy công cụ truyền thống, vốn có độ chính xác lẫn tuổi bền thấp hơn, nhanh xuống cấp mà lại đòi hỏi chi phí bảo dưỡng cũng rất cao,...

Nhìn sang khía cạnh công nghiệp tiêu dùng. Sở hữu một máy quay đĩa đã từng được xem là xa xỉ. Các rãnh trên đĩa phải rất chuẩn xác, hệ thống đọc phải tin cậy và rất ổn định để đảm bảo chất lượng âm thanh. Nhưng nay, một đĩa CD/DVD có mật độ thông tin rất lớn lại chỉ có giá một vài USD. Một ổ đọc CD/DVD loại tốt có giá chỉ dưới 50 USD. Cơ khí chính xác luôn là xương sống của sản phẩm, nhưng những kỹ thuật điều khiển tự động như dò, bám theo các phần tử đánh dấu cho phép đọc thông tin chính xác mà không cần những cơ cấu và phương tiện siêu chính xác, thậm chí không làm nổi nếu thuần tuý dựa vào cơ khí. Cũng nên kể thêm sự thông minh của nồi cơm điện, máy giặt, điều hoà kỹ thuật số...

ý tưởng về việc chúng ta làm được gì ngoài các phương tiện và biện pháp cơ khí sẽ gia tăng tính tự do trong thiết kế và cải thiện được kết quả cuối cùng. Đúc kết lại, mấu chốt sự chuyển dịch lớn lao của mô hình nhờ CĐT là dịch chuyển thực thi các chức năng từ phần cứng cơ khí sang phần mềm máy tính, tuy nhiên các cấu tử có hiệu quả cuối cùng và quan trọng nhất vẫn là cơ khí. Chú ý rằng, chúng ta xem phần mềm hơn là vi điện tử hay vi xử lý là kiểu mẫu mới vì chính phần mềm đem lại tính linh hoạt mới và rộng cũng như sự tự do trong thiết kế. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thiết kế phần mềm thực sự lại được thực hiện trong phần cứng điện tử (thiết kế cứng/mềm), nhưng cả hai trường hợp thì vẫn có cấp độ thiết kế phần mềm. Viện Công nghệ Hoàng gia Thụy Điển đã công bố cuối thập niên 80 (thế kỷ XX) tỷ lệ cơ khí - điện tử và phần mềm là 60 - 25 - 15, còn cuối thập niên 90 đã là 30 - 15 - 55 và đến hôm nay tỷ lệ này tiếp tục tăng nhiều hơn nữa đối với phần mềm.

Các sản phẩm CĐT có các đặc trưng: thường là các sản phẩm cuối cho người dùng (do vậy các sản phẩm CĐT phải tuân thủ quy luật thị trường là tính kinh tế và thoả mãn yêu cầu người dùng hơn là chỉ đạt chỉ tiêu kỹ thuật đơn thuần); có các công nghệ thích ứng tinh xảo, có tính thông minh và thiết kế cơ khí thu gọn, bền chắc; có độ tự do khi thiết kế lớn hơn.

Trong lĩnh vực phát triển thiết bị, CĐT tiên tiến đóng vai trò quan trọng. Rất nhiều thành tựu trong ngành sản xuất thiết bị cho công nghiệp bán dẫn chỉ có thể tạo được khi sử dụng tiếp cận hệ thống CĐT. Những khả năng mới theo cách này còn được sử dụng trong những lĩnh vực như hệ thống robot, ngành máy công cụ. Sử dụng công cụ sản xuất tiên tiến là một cách để thực hiện các hoạt động sản xuất có khả năng cạnh tranh ở các nước chi phí lao động cao. Có thể kết luận rằng, công nghệ CĐT có tác động chính đến các hoạt động công nghiệp.

Về vấn đề này, chúng ta nên chủ động trước dự báo của Auslander: "CĐT cũng nói lên cấu trúc công nghiệp" và trong mô hình mới, "tâm điểm không còn là thiết kế máy kiểu truyền thống (mà công nghiệp áp dụng và do đó các trường đại học hiện đang truyền thụ), trong tương lai, tâm điểm chính là chuyên gia CĐT".


Cơ điện tử - hướng phát triển tất yếu ở Việt Nam
Chúng ta hãy quan sát hai quốc gia châu á cùng phát triển về CNTT, một nước đang phát triển và một nước đã phát triển. ấn Độ có rất nhiều nhân lực trong ngành CNTT, đó là lực lượng hùng mạnh được gửi đi đào tạo bài bản và làm việc tại Thung lũng Silicon (Mỹ), cũng như gia công phầm mềm ngay trong nước để xuất khẩu. Hàn Quốc có lực lượng làm việc trong lĩnh vực CNTT ít hơn rất nhiều so với ấn Độ. Tuy nhiên Hàn Quốc đạt được doanh số từ ngành CNTT cao hơn rất nhiều, nhờ sản lượng sản phẩm CĐT của họ nhiều gấp hàng chục lần, thậm chí cả trăm lần so với của ấn Độ. Phần mềm được phát triển tích hợp trong các thiết bị mang đậm màu sắc Hàn Quốc như màn hình kỹ thuật số (KTS), ti vi KTS, tủ lạnh KTS, máy giặt fuzzy logic, đa phương tiện KTS,... đã tạo ra một thị trường đem lại doanh số hàng trăm tỷ USD/năm. Phân tích như vậy để thấy gia công thuê phần mềm không phải là hướng đi có lợi nhất mà phải chủ động gắn kết với các sản phẩm CĐT để đạt được giá trị gia tăng cao. Như vậy, hướng tới sản phẩm CĐT cần phải là sự lựa chọn ưu tiên số 1 trong việc phát triển ngành CNTT ở các nước châu á, mà bài học rõ nét nhất là các nước thành công nhanh như Hàn Quốc và gần đây là Trung Quốc.
Nói rộng hơn, CĐT là xu thế phát triển tất yếu của các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ thế kỷ XXI. Nó cho phép tạo giá trị gia tăng cao, đồng thời bảo vệ được và thúc đẩy sự phát triển của các ngành truyền thống như cơ khí, tự động hoá, CNTT, y học, sinh học, hàng không - vũ trụ, kỹ thuật quân sự,...
CĐT là một bước đi rất quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Cơ điện tử cho phép những nước nghèo, chậm phát triển không nhất thiết phải đi theo trình tự phát triển của những nước công nghiệp đã đi qua - phương pháp cổ điển và cách thức tiếp cận truyền thống - mà có thể "đi tắt". Đó là các nước chậm phát triển có thể tạo ra những đột phá trong tư duy công nghệ tích hợp, tạo ra những sản phẩm mới có tính cạnh tranh trên thế giới. Việt Nam cũng không nằm ngoài quy luật này, nếu chúng ta phát huy được truyền thống thông minh, cần cù, sáng tạo. Điều này sẽ giúp cho hàng hóa của Việt Nam đứng vững trên thị trường quốc tế trong bối cảnh toàn cầu hóa đang diễn ra mạnh mẽ.
Nắm bắt được các xu thế của CĐT (chuyển dần từ các sản phẩm CĐT cao cấp, chuyên biệt sang các sản phẩm CĐT công nghiệp; chuyển dịch thay thế các chức năng, nguyên lý và thiết kế cơ khí sang các giải pháp phần mềm; chuyển dịch từ phương pháp tiếp cận trên cơ sở phối ghép hệ thống nhỏ sang phương pháp tiếp cận hệ thống lớn toàn cục; mở rộng gắn kết với các công nghệ mới khác và đi từ thế giới vĩ mô sang thế giới vi mô), với sự thay đổi nhận thức kịp thời và có các chính sách vĩ mô phù hợp, chúng ta hoàn toàn có thể phát triển ngành CĐT và các sản phẩm CĐT trong nước đủ sức cạnh tranh với khu vực và quốc tế.
Cần có định hướng phát triển ngắn hạn 5 năm, dài hạn 20-30 năm, hoạch định những sản phẩm CĐT chiến lược, chủ đạo phù hợp với Việt Nam và xác định lộ trình thực hiện. Để sớm rút ngắn khoảng cách với các nước trong khu vực, các ngành công nghiệp của ta cần tiếp cận tổng thể, xây dựng hệ thống trên cơ sở tích hợp các mô đun tiêu chuẩn hoá, nâng cao tính sáng tạo trong thiết kế phần mềm, giải pháp tích hợp hệ thống, đầu tư vào phần "thông minh" của sản phẩm. Việc quy hoạch các ngành công nghiệp hỗ trợ để sản xuất phần nào các thiết bị tiêu chuẩn hoá trong nước cũng được xem là cần thiết. Nhưng giá trị gia tăng lớn nhất, độc đáo nhất và cũng bền vững nhất lại nằm ở việc làm chủ được công nghệ nguồn, đó là phần chất xám gửi gắm vào trong các thiết bị điều khiển của sản phẩm - linh hồn của máy móc.
Để không lỡ nhịp trong xu thế này, chúng ta rất cần những chương trình nghiên cứu KH&CN riêng ở quy mô quốc gia đáp ứng nhu cầu tổng thể của đất nước. Đã đến lúc phải đánh giá đúng vai trò "đòn bẩy" của các sản phẩm CĐT đối với nền kinh tế đất nước; phải làm chủ lĩnh vực CĐT từ nhiều góc độ: khoa học, công nghệ, kỹ thuật và phải đầu tư đáp ứng được các yêu cầu cho nó trong quá trình phát triển.
Tạp chí công nghệ của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nổi tiếng thế giới đã xếp CĐT là một trong 10 công nghệ có thể làm thay đổi thế giới trong thế kỷ XXI. Với chúng ta đây sẽ là "cuộc đấu" trí tuệ, nhiều thử thách nhưng cũng rất phù hợp.

(Bài viết của TS. Đỗ Văn Vũ đăng trên tạp chí hoạt động KHCN)