Bí mật phía sau UAV 'tàng hình' do AI thiết kế

Mới đây, các nhà khoa học tại Đại học Northwestern (Mỹ) đã phát triển UAV tàng hình mới mang tên Phantom Twist. Theo nhóm nghiên cứu, Phantom Twist không thực sự biến mất khỏi tầm nhìn. Thay vào đó, toàn bộ thân máy bay quay với tốc độ rất cao, tạo ra hiệu ứng nhòe chuyển động (motion blur), khiến mắt người khó nhận diện hình dạng của thiết bị.

Khai thác điểm yếu của thị giác con người

Trong nhiều năm qua, các nỗ lực phát triển UAV khó bị phát hiện chủ yếu tập trung vào việc khiến thiết bị có màu sắc hoặc hình dạng hòa lẫn với môi trường, sử dụng vật liệu trong suốt hoặc các hệ thống quang học phức tạp. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Northwestern chọn thay đổi cách con người nhìn thấy UAV thay vì thay đổi môi trường xung quanh nó.

Phantom Twist có kích thước nhỏ gọn với cấu trúc tối giản, chỉ sử dụng một động cơ và một cánh quạt. Khi hoạt động, cánh quạt quay theo một chiều, còn toàn bộ thân UAV quay theo chiều ngược lại với tốc độ lên tới khoảng 25 vòng mỗi giây. Tốc độ này vượt quá khả năng xử lý hình ảnh rõ nét của mắt người, khiến UAV chỉ hiện lên như một đám mờ bán trong suốt hòa vào hậu cảnh.

Michael Rubenstein, Phó giáo sư Khoa học máy tính và Kỹ thuật cơ khí tại Trường Kỹ thuật McCormick thuộc Đại học Northwestern, đồng thời là trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: "Phần lớn các nỗ lực nhằm che giấu UAV đều tập trung vào việc khiến chúng trông giống với môi trường xung quanh. Thay vào đó, chúng tôi đặt câu hỏi liệu có thể thiết kế chính chiếc UAV dựa trên cách con người cảm nhận chuyển động hay không. Ý tưởng tạo ra một thiết bị khó bị nhận biết nhờ chuyển động liên tục là hướng tiếp cận mà rất ít người từng khám phá".

Ông cho biết thêm, khác với máy bay bốn cánh quạt thông thường, nơi thân máy bay gần như đứng yên còn các cánh quạt quay, Phantom Twist khiến toàn bộ thân máy bay liên tục xoay, vì vậy gần như không còn bộ phận cố định nào để mắt người bám theo.

AI tham gia thiết kế UAV

Điểm đặc biệt của Phantom Twist không chỉ nằm ở nguyên lý hoạt động mà còn ở quy trình thiết kế hoàn toàn dựa trên trí tuệ nhân tạo. Nhóm nghiên cứu trước tiên xây dựng mô hình tính toán tạo ra khoảng 20.000 cấu hình UAV có khả năng bay ổn định. Sau đó, thuật toán AI liên tục sắp xếp lại vị trí của các bộ phận như động cơ, cánh quạt, bảng mạch, pin và đối trọng nhằm tìm ra phương án có khả năng bị phát hiện thấp nhất.

Các thiết kế triển vọng tiếp tục được đánh giá bằng mô hình mô phỏng thị giác con người để xác định mức độ dễ nhận biết của từng cấu hình. Chỉ sau nhiều vòng tối ưu hóa, nhóm nghiên cứu mới lựa chọn một thiết kế để chế tạo nguyên mẫu.

"Toàn bộ quá trình thiết kế diễn ra hoàn toàn tự động. Khi xác nhận một mẫu UAV đáp ứng đầy đủ các tiêu chí đề ra, chúng tôi mới bắt tay vào chế tạo nguyên mẫu", Rubenstein cho biết.

Theo kết quả đánh giá của nhóm nghiên cứu, Phantom Twist có mức độ dễ nhận biết thấp hơn khoảng 10 lần so với UAV bốn cánh quạt truyền thống theo thước đo thị giác mà nhóm xây dựng.

Vì sao mắt người khó phát hiện?

Giải thích về nguyên lý khoa học, Emma Alexander, Phó giáo sư Khoa học máy tính tại Đại học Northwestern, cho biết: "Mắt người cần thời gian để thu nhận và tổng hợp tín hiệu hình ảnh, tương tự như thời gian phơi sáng của một máy ảnh. Khi một vật thể quay đủ nhanh, chúng ta sẽ cảm nhận nó như một hình ảnh bị nhòe, mất đi những đặc điểm riêng biệt. Bởi phần lớn chiếc UAV mới được chế tạo từ vật liệu trong suốt, nên những bộ phận không trong suốt còn lại sẽ được mắt người hòa lẫn với phông nền, khiến toàn bộ thiết bị chỉ trông như một màn sương mỏng".

Nói cách khác, mắt người cần một khoảng thời gian ngắn để tổng hợp tín hiệu hình ảnh. Khi một vật thể quay quá nhanh, các chi tiết riêng lẻ bị hòa trộn thành một vệt mờ. Do phần lớn Phantom Twist được chế tạo từ vật liệu trong suốt, những bộ phận không trong suốt còn lại cũng bị hòa lẫn với khung cảnh phía sau, khiến UAV chỉ giống như một lớp sương mỏng.

Theo nhóm phát triển, công nghệ này có thể mang lại lợi ích trong các nhiệm vụ theo dõi động vật hoang dã, khảo sát môi trường hoặc kiểm tra cầu, đường dây điện và các công trình hạ tầng mà không gây nhiều xáo trộn về mặt thị giác.

Tuy nhiên, Phantom Twist hiện vẫn là nguyên mẫu nghiên cứu. UAV vẫn tạo ra tiếng ồn từ cánh quạt, đồng thời dây dẫn và các thanh đỡ vẫn có thể nhìn thấy trong một số điều kiện. Nhóm nghiên cứu cho biết sẽ tiếp tục phát triển các phiên bản sử dụng nhiều vật liệu trong suốt hơn và hệ thống đẩy yên tĩnh hơn để tăng khả năng khó bị phát hiện.