Phòng thí nghiệm là nơi học tập, nghiên cứu tuy nhiên cũng là nơi đặc biệt nguy hiểm nếu không tuân thủ quy tắc an toàn. Thực tế cho thấy tình trạng mất an toàn khi thực hiện thí nghiệm hóa học trong các trường học là rất cao, điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của giáo viên và học sinh. Gần đây nhất là vào tháng 02/2017 một nữ sinh ở trường Phan Đình Phùng - Hà Nội đã bị bỏng nặng ở phòng thí nghiệm hóa của nhà trường, làm nảy sinh tình trạng ngại thực hiện các thí nghiệm thực hành.

Trong khi đó, việc dạy và học rất cần sự trực quan, dễ quan sát để nhiều học sinh có thể quan sát thí nghiệm cùng lúc khi thí nghiệm được tiến hành. Việc ứng dụng công nghệ tự động và công nghệ robot vào các lĩnh vực của cuộc sống đang dần trở nên phổ biến hơn, bởi robot có thể giúp chúng ta thực hiện được những việc nguy hiểm, nhiều nguy cơ có hại đến sức khỏe.

Vì những lý do trên, cùng mục đích mang lại cái nhìn khác, mới mẻ hơn về công nghệ điều khiển tự động hóa, khai thác các phần mềm tin học, đồng thời được thỏa thích sáng tạo trên một vùng đất mới lớn hơn, khơi nguồn đam mê cho những bạn trẻ yêu thích khoa học và là minh chứng cho thấy việc lắp ráp tạo nên một chú robot có thể thay thế cho thao tác của con người, loại trừ được những nguy hiểm đến tinh mạng, ảnh hưởng đến sức khỏe mà vẫn đáp ứng yêu cầu về thực hiện và quan sát các thí nghiệm cần thiết trong trường học. Từ những lý do đó mà 2 em Giang Quốc Hoàn và Đỗ Hữu Toàn, học sinh trường Trường THPT Hoa lư A, huyện Hoa Lư, tỉnh Ninh Bình đã thiết kế và chế tạo “Robot thí nghiệm hóa học”.

Robot thí nghiệm hóa học bao gồm các vật liệu và thiết bị sau:

* Vật liệu cho cánh tay Robot:

Cánh tay phải nhẹ, đủ lực, linh hoạt khi sử dụng nên phần lớn cấu tạo của cánh tay và các bánh răng của robot được thiết kế bằng vật liệu nhựa. Sử dụng nhựa in 3D loại PLA đây là loại nhựa nổi trội về độ đàn hồi, độ bền có thể sử dụng vào công nghệ in 3D.

PLA là vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, không độc hại, dễ phân hủy. Trong điều kiện nhiệt độ in thông thường PLA không có mùi lạ, PLA tương đối giòn, cơ tính thấp nhưng sản phẩm in ra khá đẹp và đầy đủ chi tiết. Nhiệt độ in của PLA cũng tương đối thấp, tầm dưới 190⁰C.

* Phần mềm SketchUp cho công nghệ in 3D:

Cung cấp môi trường đồ họa 3D với các công cụ đồ họa trực quan, dễ tiếp cận cùng với các plugin đi kèm để phục vụ tạo ra các sản phẩm 3D ở độ tinh tế cao. Sau khi hình thành bản vẽ trên máy tính, thân robot được in 3D với kích thước và hình dáng giống hệt với thiết kế trên máy với độ chính xác cực cao.

*  Động cơ điều khiển:

Sử dụng động cơ Servo để điều khiển các khớp của cánh tay robot chuyển động quay đến các vị trí khác nhau trong thiết bị để gắp đồ chứa chất hóa học, có chức năng như một cánh tay của con người. Thay thế con người làm những công đoạn phức tạp, tránh tiếp xúc trực tiếp với các hóa chất nguy hiểm.

Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt, không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục. Servo chỉ quay khi được điều khiển với góc quay nằm trong khoảng bất kỳ từ 0⁰-180⁰. Các động cơ Servo được điều khiển bằng liên lạc vô tuyến gọi là động cơ Servo RC (radio controlled), trong thực tế bản thân động cơ Servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó được nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi, động cơ Servo nhận tín hiệu từ máy thu này.

* Hệ thống vi xử lý dùng Arduino:

Các hệ thống trên chạy được nhờ vào việc xử lý của Arduino qua chương trình nạp cho nó. Giao diện của Arduino IDE như sau:

- Vùng lệnh: Bao gồm các nút lệnh (Menu: File, Edit, Sketch, Tools, Help).

- Vùng viết chương trình: Các chương trình nạp cho Arduino được viết tại đây.

- Vùng thông báo (Debug): những thông báo từ IDE sẽ được hiển thị tại đây, ở góc dưới cùng bên phải hiển thị loại Board Arduino và cổng COM được sử dụng.

* Hệ thống điều khiển bằng máy tính và điện thoại (lập trình ứng dụng trên Visual C#):

Visual C# cho phép xây dựng một ứng dụng cho máy tính bằng phương pháp lập trình hướng đối tượng, tức là xây dựng kịch bản cho từng đối tượng của phần mềm như: Button, Textbox, Label...

Ngoài ra còn dùng App Inventor để lập trình một ứng dụng Android bằng các câu lệnh có sẵn, giao diện thân thiện, giúp cho người dùng học lập trình và tạo ra một phần mềm một cách thuận lợi trong một thời gian ngắn mà không yêu cầu người dùng phải hiểu biết quá nhiều về ngôn ngữ lập trình.

* Thiết kế mạch điện:

Được thiết kế theo sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động của nó dựa trên phần mềm sử dụng trên điện thoại Android hoặc máy tính do nhóm nghiên cứu lập trình để nhập chương trình phản ứng và dung lượng. Dữ liệu sẽ từ phần mềm được phân tích và gửi dữ liệu đến Arduino thông qua Bluetooth hoặc cáp kết nối, Arduino sẽ xử lý dữ liệu và điều khiển hoạt động của động cơ Servo để điều khiển tay robot thực hiện các thao tác thí nghiệm một cách chính xác, an toàn theo lập trình.

- Đối với hệ thống điều khiển bơm: Arduino sẽ phân tích dữ liệu nhận được bằng chương trình đã được nạp rồi thay đổi trạng thái “High” hoặc “Low” ở các chân digital. Nếu chân digital có trạng thái “High” thì nó sẽ xuất ra điện áp một chiều 5v, còn ở trạng thái “Low” thì xuất ra 0v để kích rơle điều khiển hệ thống bơm các hóa chất vào ống nghiệm, hay hút khí thoát ra trong quá trình phản ứng.

- Đối với hệ thống cảm biến: các module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, nhiệt độ chất lỏng... thu thập các thông tin về an ninh và môi trường rồi gửi tín hiệu về Arduino, sau đó Arduino xử lý và xuất ra màn hình LCD, giúp giám sát các thông số môi trường trong quá trình làm thí nghiệm, để biết được phản ứng có sinh nhiệt hay không? Có thoát khí hay không?...

- Đối với hệ thống hình ảnh: sử dụng camera logitech C270 có thể ghi video với độ phân giải 1280x720 pixels và chụp ảnh nhanh lên tới 3 megapixe kết nối với Raspberry pi (thiết bị khởi động và bộ lưu trữ liên tục) cùng với modem wifi đã được lập trình, xây dựng một máy chủ đẩy hình ảnh lên máy chủ, giáo viên có thể trực tiếp chiếu thí nghiệm lên máy chiếu để học sinh có thể dễ dàng quan sát, phục vụ việc giảng dạy được trực quan và hiệu quả nhất.

Robot thí nghiệm hóa học được tự động hóa, chính xác và an toàn. Có khả năng xử lý các chất độc sau khi thí nghiệm, đưa ra những kết quả đúng với thực tế, học sinh quan sát thí nghiệm trực quan nhất. Hệ thống hoạt động ổn định, chính xác và dễ sử dụng, sử dụng các module cảm biến để cảnh báo, có khả năng xử lý khi gặp sự cố, kết hợp phần mềm điều khiển trên máy tính, điện thoại và camera live stream, giá thành rẻ khoảng 3 triệu đồng.

Với sản phẩm này, hai em đã đạt giải Đặc biệt tại Cuộc thi Sáng tạo Thanh thiếu niên và Nhi đồng tỉnh Ninh Bình lần thứ IX, (2017-2018), giải Nhất Cuộc thi Sáng tạo Thanh thiếu niên và Nhi đồng toàn quốc lần thứ 14, năm 2018. Hy vọng trong thời gian tới các em tiếp tục học tập, nghiên cứu, tìm tòi để cải tiến sản phẩm này hiện đại hơn và có nhiều sản phẩm, mô hình mới, đồng thời giúp các em trau dồi những kiến thức, kỹ năng sáng tạo, vun đắp những ước mơ trong tương lai.

Đinh Liên