17 tuổi và một lọ “chất lỏng từ tính”: Phát minh robot làm sạch nước bắt đầu từ sự tò mò

Một khối chất lỏng đen có thể chạy theo nam châm đã khiến Moroti Adegboyega đặt một câu hỏi khá đơn giản: nếu ferrofluid có thể bám vào nhựa, tại sao chỉ dùng nó trong những thí nghiệm nhỏ trên bàn?

Từ câu hỏi đó, học sinh 17 tuổi ở St. John’s, Newfoundland and Labrador, Canada, phát triển Ecoferroquatics Mk-1: một robot mặt nước tự hành dùng camera, mô hình thị giác máy tính và một trống từ phủ ferrofluid để tìm, tiếp cận rồi đưa các mảnh nhựa ra khỏi nước. Ngày 25/8/2026, dự án giúp Adegboyega giành Stockholm Junior Water Prize 2026, cuộc thi quốc tế dành cho các nhà nghiên cứu trẻ về nước.

Câu chuyện đáng chú ý không nằm ở việc một học sinh trung học gắn “AI” lên một chiếc thuyền nhỏ. Phần thú vị hơn là cách Adegboyega ghép ba bài toán vốn tách rời — nhận diện rác, điều khiển robot và tương tác vật liệu — thành một hệ thống duy nhất, rồi tự chỉ ra khá rõ nơi nó còn thất bại.

Từ “black goo” đến ý tưởng làm nhựa phản ứng với nam châm

Adegboyega bắt đầu từ việc đọc về một dự án khoa học trước đó sử dụng ferrofluid để tách vi nhựa khỏi nước. Ferrofluid là chất lỏng chứa các hạt từ tính kích thước rất nhỏ được phân tán trong một chất mang. Vì phản ứng với từ trường, nó có thể bị kéo, giữ hoặc định hình bằng nam châm.

Trong công thức của mình, Adegboyega sử dụng magnetite, oleic acid và dầu thực vật. Mục tiêu không phải làm bản thân nhựa trở thành vật liệu sắt từ, mà là khiến bề mặt nhựa được phủ bởi lớp chất lỏng có tính từ. Khi đó, nam châm có thể kéo phần nhựa đã “mang” ferrofluid ra khỏi nước. Trong một cách giải thích ngắn gọn với Water Environment Association of Ontario, cậu gọi ý tưởng này là “turn plastic magnetic”.

Điểm Adegboyega muốn thay đổi so với thí nghiệm trong cốc là tính chủ động. Thay vì đổ ferrofluid vào một mẫu nước rồi đưa nam châm tới, cậu muốn một thiết bị có thể tự tìm nhựa trên mặt nước, tự di chuyển tới đúng vị trí và chỉ kích hoạt cơ chế thu gom ở nơi cần thiết.

Robot làm ba việc: nhìn, di chuyển và thu gom

Mô tả kỹ thuật của dự án chia Ecoferroquatics Mk-1 thành ba bước: identify, mobilize, remediate.

Ở bước đầu, camera đặt phía trước robot ghi hình mặt nước. Mô hình thị giác máy tính phân tích hình ảnh để tìm vật thể nhựa, ước lượng kích thước và vị trí tương đối của chúng. Thuật toán sau đó chọn mục tiêu và tính hướng tiếp cận; các lệnh được chuyển tới bộ điều khiển và động cơ để robot dùng mái chèo tiến về phía mảnh nhựa.

Cơ chế thu gom nằm ở phía trước. Một trống quay có từ tính được phủ ferrofluid. Khi mảnh nhựa tiếp xúc với bề mặt này, ferrofluid làm ướt và bám lên nhựa. Mảnh nhựa sau đó bị hút theo trống quay ra khỏi nước, đi tới một lưỡi gạt và rơi vào khoang chứa.

Bản Mk-1 được thiết kế trên Tinkercad, in bằng PETG pha sợi carbon và dùng Raspberry Pi, ESP32 cùng các động cơ điều khiển chuyển động. Theo hồ sơ dự án, robot nặng khoảng 1,42 kg. Adegboyega cũng chọn mái chèo thay cho cánh quạt, một quyết định nhằm giảm khả năng tương tác trực tiếp với sinh vật thủy sinh.

Con số 51,85% quan trọng hơn một màn demo đẹp

Ecoferroquatics đã được thử trong một môi trường nước có kiểm soát với sáu loại polymer và ba nhóm kích thước. Sau chín lần thử, hiệu suất thu gom trung bình mà dự án báo cáo là 51,85% ± 18,34%, với tốc độ khoảng 1,73 mảnh nhựa mỗi phút.

Hiệu suất thay đổi mạnh theo kích thước và loại nhựa. Nhóm macroplastic đạt trung bình 71,67%, mesoplastic 54,44%, còn microplastic chỉ 29,44%. Trường hợp tốt nhất là polyethylene dạng foam kích thước lớn, đạt 96,67% trong điều kiện thử nghiệm. Vì vậy, con số gần 97% không thể được hiểu là robot loại bỏ 97% vi nhựa khỏi nước.

Điểm có lợi cho Ecoferroquatics xuất hiện ở phần so sánh với một hệ sàng cơ học cơ bản: với các hạt ở thang microplastic, robot cho kết quả tốt hơn baseline này. Stockholm Water Foundation cũng nhấn mạnh rằng hệ thống vượt sàng đơn giản ở nhóm hạt nhỏ dễ lọt qua các lỗ sàng.

Nhưng chính dữ liệu của Adegboyega cho thấy một nghịch lý kỹ thuật. Các mảnh càng nhỏ thì ferrofluid càng có thể hữu ích về mặt thu gom, nhưng hệ thị giác lại càng khó nhìn thấy và dẫn robot tới đúng mục tiêu. Nói cách khác, phần vật liệu và phần nhận thức của robot không tiến bộ cùng tốc độ.

Một prototype biết rõ giới hạn của mình

Ecoferroquatics Mk-1 hiện vẫn là proof of concept trong môi trường kiểm soát, không phải máy làm sạch sông hồ sẵn sàng triển khai. Thử nghiệm được thực hiện trong bể nhỏ; hệ thống chủ yếu nhắm tới nhựa nổi trên mặt hoặc nằm khoảng 2 cm dưới mặt nước. Nó chưa được kiểm chứng trong dòng chảy, sóng, độ đục, thay đổi ánh sáng hay mật độ rác phức tạp của môi trường tự nhiên.

Biofilm cũng là một vấn đề. Ngoài tự nhiên, nhựa thường bị phủ bởi vi sinh vật và chất hữu cơ. Lớp phủ này có thể làm thay đổi tính kỵ nước và khả năng tương tác với ferrofluid — đúng cơ chế mà robot dựa vào để “bắt” nhựa.

Phần AI chưa phải hệ nhận diện tổng quát. Adegboyega tự ghi nhận tập dữ liệu huấn luyện còn nhỏ, ảnh được gán nhãn thủ công và khả năng nhận diện suy giảm khi mảnh nhựa nhỏ đi. Điều đó giới hạn mức tự chủ của robot, đặc biệt nếu mục tiêu là vi nhựa gần như không thể nhận ra bằng camera thông thường.

Còn một câu hỏi quan trọng hơn: ferrofluid sẽ ra sao nếu rò rỉ? Trong các thử nghiệm được báo cáo, Adegboyega không quan sát thấy hiện tượng rò, nhưng chính cậu vẫn liệt kê việc kiểm soát ferrofluid là một rủi ro cần xử lý. Trước khi thiết bị có thể vào hồ, sông hay vùng đất ngập nước, hỗn hợp từ tính cần được đánh giá kỹ hơn về độ bền, khả năng thu hồi và tác động sinh học trong điều kiện thực tế.

Sáu lần chỉ để học cách nổi

Phần dễ bỏ qua nhất của dự án lại giải thích khá rõ cách Ecoferroquatics hình thành. Khi bắt đầu, Adegboyega cho biết kỹ năng mạnh nhất của mình là lập trình; cậu gần như chưa có nền tảng về robotics, khoa học nước hay kỹ thuật môi trường. Ngay cả bài toán cơ bản là làm robot nổi cũng mất khoảng sáu lần thử.

Thay vì xem đó là một thất bại phụ, quá trình này trở thành cách cậu học. Cấu trúc thân, cơ chế chèo, hệ thống điều khiển, ferrofluid và mô hình nhận diện được thay đổi qua nhiều vòng thiết kế. Chính logic thử — đo — sửa này khiến Ecoferroquatics đáng chú ý hơn một sản phẩm trình diễn được dựng chỉ để chạy một lần.

Stockholm Junior Water Prize không biến Mk-1 thành công nghệ thương mại. Nó xác nhận rằng câu hỏi nghiên cứu đủ thú vị và cách tiếp cận đủ thuyết phục để được một hội đồng quốc tế lựa chọn. Khoảng cách còn lại vẫn rất lớn: làm việc trong nước đục, xử lý biofilm, giữ ferrofluid không rò, tăng độ chính xác của thị giác máy tính, chứng minh an toàn sinh thái và kiểm tra hiệu quả ở quy mô lớn hơn.

Adegboyega đã nói tới Mk-2, cải thiện chống nước và giám sát năng lượng, đồng thời cân nhắc các môi trường có kiểm soát hơn như bể xử lý nước thải, hồ công nghiệp hoặc dự án phục hồi đất ngập nước trước khi nghĩ tới đại dương mở.

Nếu Ecoferroquatics tiến xa hơn, bước tiếp theo sẽ không còn là chứng minh một “chất lỏng từ tính” có thể bám vào nhựa. Điều khó hơn là chứng minh robot có thể làm việc ổn định giữa những thứ mà bể thử nghiệm không có: dòng nước, sinh vật, bùn, ánh sáng thay đổi và hàng nghìn loại rác không giống nhau. Đó mới là nơi sự tò mò ban đầu phải chuyển thành kỹ thuật môi trường thực sự.