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:
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.