Cơ điện tử-cơ hội thách thức đối với quá trình hội nhập nền kinh tế toàn cầu

Cơ điện tử-cơ hội thách thức đối với quá trình hội nhập nền kinh tế toàn cầu

Cơ điện tử-cơ hội thách thức đối với quá trình hội nhập nền kinh tế toàn cầu của Việt Nam

(phần 1: Làm rõ hơn về Cơ điện tử)

www.mechatronics.org.vn/nghiencuu/18082004_1.html

PGS TSKH Phạm Thượng Cát

Viện Công nghệ thông tin

18 Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hà nội Tel: 8 361 445; Email: ptcat@ioit.ncst.ac.vn

1.1. Hiểu về Cơ điện tử ngày nay

Cơ điện tử được hiểu là một công nghệ mới được hình thành từ sự liên kết của nhiều ngành công nghệ hiện có như cơ khí, điện tử, điều khiển, công nghệ thông tin vv Tuy nhiên do là một công nghệ mới đang phát triển và mở rộng với tốc độ nhanh nên khó có thể có ngay được một định nghĩa chính xác

Một định nghĩa quá cứng bây giờ có thể gây nhiều hạn chế, thiếu chính xác trong tương lai Ta đã thấy điều này qua ba thập kỷ phát triển của Cơ điện tử

Nhiều định nghĩa về Cơ điện tử khác nhau đã được nhiều nhà khoa học và công nghệ đưa ra với các cách nhìn và quan điểm khác nhau Tuy vậy một nét chung nhất được thừa nhận và cũng là bản chất của cơ điện tử là sự “ liên kết cộng năng của nhiều lĩnh

vực để tạo ra những sản phẩm mới có những tính năng vượt trội.” Sự liên kết cộng

năng này mang lại nhiều cơ hội và không ít thách thức cho sự phát triển của chính cơ điện tử

Cho đến bây giờ còn nhiều bàn cãi về định nghĩa và nhiều quan điểm khác nhau về cơ điện tử có phải là một công nghệ mới không hay đơn thuần là sự kết hợp thông thường của các công nghệ đã biết Có quan điểm cho cơ điện tử không phải là một ngành khoa học mà chỉ đơn thuần là một công nghệ không có nền tảng khoa học cơ bản như cơ học, điều khiển học vv Trong báo cáo này tác giả đề cập đến quan điểm của mình đối với những vấn đề nêu trên và trình bày một số ý kiến của mình về những cơ hội và thách thức của cơ điện tử đối với Việt Nam trong quá trình hội nhập nền kinh tế toàn cầu

Trước tiên theo suy nghĩ của tác giả đến thời điểm này thì cơ điện tử có thể được định nghĩa như sau:

“Cơ điện tử là một lĩnh vực khoa học và công nghệ được hình thành từ sự cộng năng của nhiều ngành khoa học công nghệ nhằm hoàn thiện, thông minh hoá tạo nên linh hồn và cảm xúc cho các sản phẩm và công cụ phục vụ cho con người”

1.2 Cơ điện tử khác với Tự động hoá như thế nào

Nhiều chuyên gia về tự động hoá cho rằng cơ điện tử chả là cái gì mới vì khi xây dựng các hệ thống điều khiển tự động các chuyên gia tự động hoá đã phải làm công việc

tích hợp hệ thống, kết nối đầu đo, cơ cấu chấp hành, máy tính điều khiển, viết phần mềm đo-điều khiển và lựa chọn cả các thiết bị giao diện để điều khiển các quá trình công nghệ kể cả các hệ cơ Như vậy các hệ thống tự động hoá cũng đã tích hợp nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác nhau từ lâu

Điều này hoàn toàn đúng và thực tế để xây dựng được các hệ thống điều khiển quá trình cơ học, các chuyên gia tự động hoá cũng phải hiểu thấu đáo các mô hình, quá trình động lực học của hệ cơ học và của cả các đầu đo, cơ cấu chấp hành mới tích hợp được một hệ thống hoạt động ổn định và tối ưu Mặt khác phương pháp tích hợp các hệ thống điều khiển này không chỉ cho riêng các đối tượng, quá trình cơ mà các chuyên gia tự động hoá còn làm nhiều hơn trong lĩnh vực điều khiển các quá trình công nghệ và tự động hoá công nghiệp (điều khiển lò phản ứng, điều khiển nồi hơi hay tự động hoá quá trình xử lý nước thải…)

Vậy thì cơ điện tử có các điểm nào mới hơn các hệ thống tự động ?

Với những gì hiện nay chúng ta hiểu về hệ thống cơ điện tử thì những điểm mới của cơ điện tử so sánh với các hệ tự động hoá khác nhau ở 3 điểm sau:

• Một là: Các sản phẩm cơ điện tử thường là các sản phẩm cuối cho người dùng (end-user products)

Ngay từ khi hình thành khái niệm “cơ điện tử” các chuyên gia Nhật Bản đã định

hướng cho khái niệm này là sản phẩm kết hợp cơ và điện tử hơn là nói đến một hệ

thống công nghệ cao Có nghĩa là các sản phẩm cơ điện tử là các sản phẩm cho người

sử dụng cuối cùng như các đồ dùng, thiết bị gia dụng được chế tạo hàng loạt, hoặc các sản phẩm chất lượng cao như ôtô, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ thiết bị y tế, các bộ phận cơ thể nhân tạo thay thế cho con người vv…

Các sản phẩm này được thiết kế và chế tạo một cách tiện ích nhất, phù hợp với các yêu cầu riêng cho người sử dụng và người sử dụng không quan tâm đến các công nghệ đươc dùng trong nó mà họ mua và dùng các sản phẩm này vì nó tốt hơn, kinh tế hơn, tiện dụng hơn phù hợp với những yêu cầu riêng của mình

Do vậy các sản phẩm cơ điện tử 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

• Hai là: các sản phẩm cơ điện tử có các công nghệ thích ứng tinh sảo, có tính thông minh và thiết kế cơ khí cô đọng bền chắc

Với các công nghệ Micro và nano hiện nay các sản phẩm cơ điện tử có thể đưa các

cảm biến, vi xử lý và cơ cấu chấp hành vào bất kỳ vị trí không gian hep cô đọng nào

trong cấu trúc cơ khí của sản phẩm Điều này tạo nên các sản phẩm cơ điện tử có độ

thông minh cao mà lại đặt được vào một cấu trúc hoàn hảo cô đọng cả về kích thước,

trọng lượng và tiêu thụ năng lượng

• Ba là: Độ tự do của thiết kế cơ điện tử lớn hơn

Thiết kế các sản phẩm cơ điện tử là một thiết kế tổng hợp tối ưu nên nó là một thiết kế cho phép thay đổi được tất cả các bộ phận cơ khí, đầu đo, cơ cấu chấp hành, vi xử lý điều khiển để đạt được một thiết kế hoàn hảo cân bằng Cấu trúc cơ khí cũng có thể

thay đổi, các bộ phận điện tử, điều khiển cũng có thể thay đổi linh hoạt cho từng loại sản phẩm Như vậy thiết kế cơ điện tử là một thiết kế cộng tác để đạt được một sản phẩm có tính cạnh tranh cao Ngược lại khi tích hợp các hệ thống tự động các chuyên gia tự động phải chấp nhận đối tượng điều khiển (quá trình cơ khí) như một thực thể cố định Các đầu đo, cơ cấu chấp hành cũng là các sản phẩm có sẵn và bộ phận có thể thay đổi được là bộ điều khiển và thuật toán điều khiển Độ tự do trong thiết kế tích hợp các hệ thống tự động bó hẹp hơn nhiều so với độ tự do của thiết kế các sản phẩm cơ điện tử

1.3.Cơ điện tử là một lĩnh vực khoa học hay công nghệ?

Hiển nhiên cơ điện tử với sự kết hợp tối ưu của công nghệ cơ, điện tử, điều khiển… dễ được coi là một lĩnh vực công nghệ hơn là một lĩnh vực khoa học Điều này một phần cũng do do hiện nay chưa hình thành được nền tảng khoa học, cơ sở lý luận của cơ điện tử Ngược lai đối với cơ khí ta có cơ học là nền tảng khoa học; tự động hoá có lý thuyết điều khiển tự động và lý thuyết hệ thống làm nền tảng; điện tử có các phương trình maxell, lý thuyết mạch, công nghệ thông tin có lý thuyết automat, cơ sở dữ liệu, lý thuyết thông tin… làm nền tảng Vậy cơ điện tử có nền tảng khoa học của nó hay không?

Để làm sáng tỏ vấn đề này ta hãy xuất phát từ bản chất của cơ điện tử là sự cộng năng, gắn kết hữu cơ của nhiều ngành khoa học công nghệ khác nhau Do vậy cơ điện tử cũng có phần khoa học dựa trên nền tảng của khoa học của từng lĩnh vực riêng rẽ và phần khoa học của sự liên kết đa ngành Chính phần khoa học của sự liên kết đa ngành này tạo nên sự khác biệt vê mặt khoa học của cơ điện tử

Tuy nhiên qua 3 thập kỷ phát triển, cái bản chất của sự cộng năng này lại ít được nghiên cứu mổ xẻ nhất Đây là một nhược điểm ảnh hưởng không nhỏ tới sự phát triển của cơ điện tử, như một ngành khoa học Các nghiên cứu về cơ điện tử chưa tìm ra được các qui luật tạo nên sức mạnh tổng hợp, vượt trội của sự liên kết đa ngành, chưa chỉ ra được sự liên kết đa ngành tạo ra những khả năng lựa chọn giải pháp tối ưu như thế nào

Việc nghiên cứu khám phá ra những qui luật của sự gắn kết đa ngành sẽ cho ta hiểu rõ hơn về các cơ hội và thách thức mà cơ điện tử mang lại

Đồng thời các nghiên cứu này sẽ đem lại những kết quả khoa học mới có thể quay lại thúc đẩy các nghiên cứu hướng mới ở mỗi ngành (lý thuyết điều khiển, lý thuyết hệ thống…)

Sự tích hợp của nhiều công nghệ (cơ, điện tử, phần mềm, điều khiển…) dẫn đến sự phụ thuộc lẫn nhau đòi hỏi sự đặc biệt chú ý trong quá trình phát triển sản phẩm cơ điện tử Nguyên nhân do sự phụ thuộc đan chéo dẫn đến sự tăng đột biến của độ phức tạp ảnh hưởng tới những vấn đề về độ tin cậy và tính ổn định của hệ thống Để có thể khắc phục được những vấn đề này cần có các nghiên cứu về lý luận, có các phương pháp xử lý hữu hiệu, các mô hình và công cụ phù hợp Đây là những thách thức khoa học hóc búa mà cơ điện tử phải giải quyết trong tương lai

Với những phân tích trên đây ta có thể thấy cơ điện tử 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 của riêng mình Đó là những vấn đề khoa học, qui luật của sự

liên kết đa ngành Trong tương lai sự gắn kết giữa cơ điện tử với ngành sinh học tạo nên lĩnh vực bio_mechatronics còn là một thách thức lớn hơn về mặt khoa học cho sự phát triển của cơ điện tử

1.4.Thế nào là công nghiệp cơ điện tử?

Ta có các ngành công nghiệp cơ khí, điện tử, công nghiệp tự động hoá, công nghiệp công nghệ thông tin, công nghiệp chế tạo đầu đo, cơ cấu chấp hành, vậy có nền công nghiệp cơ điện tử hay không ? Có ý kiến cho rằng cơ điện tử là sự tích hợp của các ngành công nghệ có sẵn nên việc chế tạo các sản phẩm cơ điện tử hoàn toàn có thể dựa trên các ngành công nghiệp hiện có nêu trên

Nói vậy cũng đúng vì thực tế hiện nay việc chế tạo, sản xuất các sản phẩm cơ điện tử đang phải dựa vào các nhà máy sản xuất của các ngành công nghiệp hiện có

Tuy nhiên một khi số lượng và chủng loại sản phẩm cơ điện tử ngày càng nhiều trên thị trường thì hiển nhiên sẽ hình thành ngành công nghiệp cơ điện tử Vậy công nghiệp cơ điện tử là gì và nó có những đặc trưng gì khác với các ngành công nghiệp hiện hành?

Có thể hiểu công nghiệp cơ điện tử là “ngành công nghiệp cung cấp các sản phẩm, kỹ

năng và dịch vụ cơ điện tử chất lượng cao cho người tiêu dùng”

Ngành công nghiệp cơ điện tử cũng như các ngành công nghiệp khác bao gồm các mảng chức năng chính sau:

• Hệ thống quản lý điều hành và các dịch vụ hỗ trợ sản xuất

• Mảng vận hành hệ thống sản xuất và chế tạo các sản phẩm về thiết bị cơ điện tử

• Mảng tiếp thị sản phẩm

• Mảng đào tạo

Trong dây chuyền sản xuất các sản phẩm cơ điện tử hiện nay thường bao gồm các hệ thống điện, hệ thống khí nén, hệ thống điện tử, hệ thống PLC, hệ thống cảm biến, hệ thống thuỷ lực, CNC và hệ thống rô bốt

Mảng chế tạo các bộ phận và hệ thống cơ điện tử thường bao gồm các bộ phận thiết kế, phát triển các phần mềm ứng dụng, chế tạo các chi tiết, lắp ráp và thử nghiệm kiểm tra chất lượng sản phẩm

Khác với các ngành công nghiệp khác, công nghiệp cơ điện tử đòi hỏi tư duy thiết kế

và chế tạo liên ngành Phần thiết kế có độ tự do lớn bảo đảm tính liên kết hoàn hảo

của hệ thống trong khi phần chế tạo các phần tử, chi tiết lại được thực hiện ở các

ngành công nghiệp độc lập Thiết kế sản phẩm cơ điện tử là loại “thiết kế hướng tới

thị trường” khác với các loại thiết kế sản phẩm truyền thống là “thiết kế cho đạt các chỉ tiêu kỹ thuật”, hoặc thiết kế để “có giá thành rẻ nhất “ Thiết kế cơ điện tử đòi hỏi

áp dụng các công nghệ cao cho các chức năng vượt trội nhưng với giá thành có sức cạnh tranh và lợi ích thoả mãn người tiêu dùng

Do các sản phẩm cơ điện tử là các sản phẩm hướng tới các yêu cầu có cá tính của người tiêu dù ng, cho nên ngành công nghiệp cơ điện tử phải có tính mềm dẻo cao để bảo đảm được thời gian đưa các sản phẩm ra thị trường nhanh kịp thời với các cơ hội kinh doanh nảy sinh liên tục trong quá trình phát triển của xã hội loài người

1.5 Xu thế phát triển của cơ điện tử ngày nay

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 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 (ô tô, camera, rôbốt 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 phẩm 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 mà trong hội nghị này có nhiều báo cáo đề cập đến

* 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 được 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 nano NEMS (Nano Electromechanical- Nanomechotronic Systems) 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

1.6 Nhìn lại sự phát triển cơ điện tử ở nước ta thời gian qua

Phải nói trong thời gian qua lĩnh vực cơ điện tử của nước ta đã có nhiều chuyển biến vượt bực Nổi bật nhất là với sự nỗ lực của Viện nghiên cứu chiến lược khoa học công nghệ thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ, cơ điện tử đã trở thành một trong những lĩnh vực công nghệ trọng điểm trong chiến lược phát triển khoa học công nghệ của cả nước ta từ â y đến năm 2010 Hợp tác quốc tế về cơ điện tử đã được thúc đẩy ở cả ba miền nam bắc, từ hội nghị Nhật-Mỹ-Việt nam RESSCE’ 98 ở Hà nội, RESSCE ’00 ở TPHCM đến trường hè về Cơ điện tử ở Đà nẵng năm 2002 và tháng 11 này chúng ta sẽ tổ chức hội nghị cơ điện tử quốc tế lần thứ 9 tại Hà nội Lĩnh vực cơ điện tử đã được hình thành tại nhiều trường đại học ở Hà nội, TPHCM và Đà nẵng Các cuộc thi sáng tạo robot đã mang lại nhiều cơ hội cho giới trẻ tiếp cận đến các phương pháp và kỹ năng thiết kế và tích hợp các sản phẩm cơ điện tử Việc nghiên cứu về lĩnh vực cơ điện tử đang được triển khai với sự phát triển đáng kể tại các viện nghiên cứu, các

trường đại học và nhiều cơ sở sản xuất Qua số bài tham gia hai hội nghị toàn quốc về cơ điện tử lần thứ nhất tại Hà nội và lần hai bây giờ đã chứng tỏ các tiềm năng nghiên cứu sáng tạo của chúng ta trong lĩnh vực khoa học công nghệ cơ điện tử mới mẻ này Trong sản xuất các sản phẩm cơ điện tử đã được nhiều cơ sở trong cả nước và các liên doanh tổ chức sản xuất tại Việt nam như Viện máy công cụ và Dụng cụ, nhà máy sản xuất robot ở khu công nghiệp Nomura Hải phòng Thị trường các sản phẩm và hệ thống cơ điện tử ở Việt nam còn rộng mở cho nhiều cơ hội đầu tư và phát triển Tuy nhiên sự phát triển của lĩnh vực cơ điện tử ở nước ta cũng gặp không ít khó khăn do bản thân nghành cơ điện tử là một ngành khoa học công nghệ mới nên việc thâm nhập vào đời sống sản suất đòi hỏi phải có một quá trình thay đổi nhận thức và chính sách vĩ mô Sự phát triển có được trong thời gian qua chủ yếu là sự phát triển nghiên cứu tự phát tuân theo quy luật cung cầu của thị trường, sự nỗ lực của các chuyên gia tâm huyết và sự phát triển của Internet mang lại