Xu thế phát triển của cơ điện tử ngày nay

* Xu thế hướng sản phẩm

Trên thực tế sự gắn kết hữu cơ nhiều công nghệ trong một sản phẩm đã có từ lâu trước cả khi khái niệm “cơ điện tử” mà các chuyên gia Nhật đưa ra. Ví dụ công nghiệp hàng không, công nghiệp vũ trụ và công nghiệp quốc phòng đã cho ra các sản phẩm như máy bay, tên lửa có điều khiển, tàu ngầm trinh sát không người lái hàng thập kỷ nay.

Vệ tinh nhân tạo, một hệ thống toàn diện đa chức năng 

Các sản phẩm này được tích hợp một cách hữu cơ các công nghệ cơ, điện, điện tử, máy tính, điều khiển, cảm biến cơ cấu chấp hành và là những sản phẩm cơ điện tử cao cấp cỡ lớn cả về chức năng và giá thành phục vụ cho những mảng thị trường đặc chủng. Do tính đặc thù của các sản phẩm này mà các kỹ năng liên kết các công nghệ của nó đã không được phổ cập trong một thời gian dài.

Ta có thể nhận thấy với sự phát triển của khoa học công nghệ nhất là công nghệ vi xử lý _xu thế phát triển của cơ điện tử đã và đang chuyển dần từ các sản phẩm cơ điện tử cao cấp (máy bay, tên lửa...) đến các sản phẩm cơ điện tử công nghiệp (ôtô, camera, robot gia đình...). Người Nhật đã đi tiên phong trong hướng này và đã cho ra đời khái niệm “cơ điện tử” vào cuối những năm 60 đầu năm 70 của thế kỷ 20. Đây thực sự là một công nghệ làm thay đổi thế giới. Tuy nhiên các sản phẩm cơ điện tử công nghiệp chừng mực nào đó còn có nhiều thách thức cao hơn so với các sản phẩm của công nghệ hàng không do nó không phải là sản phẩm của một ngành chuyên dụng.

Cơ điện tử công nghiệp phải đối mặt với sự cạnh tranh gay gắt của thị trường sản phẩm chế tạo hàng loạt, như chu kỳ đổi mới sản phẩm ngắn, giá cả cạnh tranh và thời gian đưa ra thị trường phải nhanh. Do vậy, cơ điện tử công nghiệp không chỉ đơn thuần có tư duy thiết kế hệ thống mà phải có cả tư duy thiết kế hướng sản phẩm.

* Xu thế thứ hai là sự chuyển dịch thay thế các chức năng, nguyên lý và thiết kế cơ khí sang các giải pháp phần mềm được thể hiện trong các hệ nhúng ở các sản phảm cơ điện tử. 

Xu thế chuyển các chức năng cơ khí vào phần mềm đã được khẳng định qua tỷ lệ giữa phần cơ/phần cứng/phần mềm trong việc phát triển các sản phẩm cơ điện tử. 15 năm trước đây, tỷ lệ này là 60/25/15. Vào năm 1998, tỷ lệ này còn 30/15/55 và hiện nay tỷ lệ phần mềm còn cao hơn. Hiện nay, phần mềm tạo nên sự linh hoạt và độ tự do lớn trong thiết kế các sản phẩm cơ điện tử. Phần lớn phần mềm được thể hiện trong các chíp phần cứng, do vậy ta hiểu thiết kế phần mềm ở đây là sự thiết kế phối hợp cứng/mềm (hardware/software co-design). Tuy nhiên, hiện nay đã xuất hiện nhiều công nghệ cho phép tạo ra các chíp cứng chuyên dụng trên cơ sở lập trình phần mềm như công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) của hãng CypressMicroSystem.

* Xu thế thứ ba là sự 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.

Phần lớn các sản phẩm cơ điện tử hiện nay được phát triển trên cơ sở phối ghép các hệ thống nhỏ thành hệ thống tích hợp. Bản chất của phương pháp này là từng hệ nhỏ (cơ khí, điện tử, phần mềm...) được thiết kế độc lập nhưng chú trọng đến việc phối ghép với các hệ thống con còn lại. Một khi các phương thức phối ghép đã được xác định thì mỗi hệ thống con được thiết kế độc lập theo các phương pháp truyền thống của mình. Với cách tiếp cận này thì không thực sự cần thiết phát triển một công nghệ thiết kế mới để đạt đưọc các tính năng vượt trội mà sự kết hợp liên ngành mang lại. Trong khi đó những giá trị gia tăng, những chức năng ưu việt của cơ điện tử lại xuất phát từ sự gắn kết hữu cơ giữa các công nghệ. Do vậy, nhu cầu tất yếu và cũng là một xu thế phát triển của cơ điện tử hiện nay là tìm ra được các cơ sở khoa học, mô hình và công cụ để có thể mô hình hoá, phân tích, tổng hợp, mô phỏng và chế thử các hệ thống liên kết đa công nghệ. Điều này sẽ tạo cho cơ điện tử một sự phát triển nhảy vọt, có cơ sở khoa học chắc chắn, các sản phẩm cơ điện tử sẽ được thiết kế theo phương pháp từ trên xuống (top-down) khác với cách thiết kế đi từ dưới lên (bottom – up) đang phổ biến hiện nay.

* Xu thế thứ 4 là cơ điện tử ngày càng mở rộng, gắn kết với các công nghệ mới khác và đi từ vĩ mô sang thế giới vi mô:

Ngoài các sản phẩm và hệ thống cơ điện tử thông thường, ta thấy đã xuất hiện nhiều sản phẩm vi cơ điện MEMS (MicroElectromechanical - Microelectronic Systems) và đang nghe nhiều đến lĩnh vực công nghệ cao Nano NEMS (Nano Electromechanical - Nanomechotronic Systems).

Robot siêu nhỏ với kích thước 80/1000 mm được tạo tại phòng thí nghiệm USNA Microfabrication Laboratory (mFabLab). Đây là phòng thí nghiệm dành cho giáo dục và nghiên cứu vi hệ trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), vi điện tử, hệ thống cảm biến tích hợp.

Trong khi cơ điện tử thông thường và vi cơ điện MEMS dựa trên cơ sở khoa học của cơ học và lý thuyết điện từ trường, thì công nghệ Nano NEMS dựa trên cơ sở khoa học của cơ lượng tử và đi sâu vào thế giới vi mô phân tử. Công nghệ Nano hứa hẹn nhiều kết quả và ứng dụng phi thường nhưng còn rất nhiều thách thức đòi hỏi nhiều thời gian và đầu tư. Với bản chất gắn kết nhiều công nghệ cao trong một sản phẩm, cơ điện tử ngày càng tích hợp trong nó những công nghệ mới. Trước tiên, phải nói đến lĩnh vực trí khôn nhân tạo bao gồm cả lĩnh vực xử lý tiếng nói và hình ảnh sẽ mang lại linh hồn và cảm xúc cho các sản phẩm cơ điện tử trong tương lai. Việc tích hợp với công nghệ sinh học tạo nên các hệ thống bio_mechatronics đang mở ra những chân trời mới cho sự sáng tạo của loài người

Nguồn tham khảo:

CƠ ĐIỆN TỬ – CƠ HỘI VÀ THÁCH THỨC TRONG QUÁ TRÌNH HỘI NHẬP NỀN KINH TẾ TOÀN CẦU CỦA VIỆT NAM - PGS. TSKH Phạm Thượng Cát