Tự hành, bầy đàn, tầng bình lưu: Các xu hướng định hình UAV trong tương lai

Thế giới đang bước vào “kỷ nguyên UAV 2.0”, khi con người chuyển từ vai trò phi công sang vị trí quản lý và giám sát mạng lưới thiết bị. Dưới đây là 5 xu hướng chủ đạo được dự báo sẽ định hình lại bầu trời trong thập niên tới.

Từ "điều khiển từ xa" đến "tự hành hoàn toàn"

Xu hướng phát triển UAV trong thập niên tới đang chuyển trọng tâm từ điều khiển từ xa sang mức tự hành gần như hoàn toàn. Hiện nay, phần lớn UAV thương mại vẫn vận hành trong tầm nhìn trực tiếp của người điều khiển hoặc cần giám sát liên tục thông qua màn hình. Tuy nhiên, mô hình này được dự báo sẽ thay đổi nhanh chóng khi nhu cầu mở rộng quy mô ứng dụng ngày càng lớn. Tự động hóa trở thành hướng đi chủ đạo nhằm giảm phụ thuộc vào thao tác con người và nâng cao độ an toàn trong vận hành.

Một chiếc drone xuất hiện trên bầu trời trong buổi trình diễn của hãng sản xuất drone Trung Quốc DJI, nhằm giới thiệu ứng dụng theo dõi đăng ký và chủ sở hữu thiết bị - Ảnh: Reuters

Một trong những nền tảng kỹ thuật quan trọng của xu hướng này là trí tuệ nhân tạo tại biên (Edge AI). Thay vì gửi dữ liệu về máy chủ để xử lý, UAV tương lai được trang bị bộ xử lý chuyên dụng ngay trên bo mạch, cho phép phân tích thông tin và đưa ra quyết định theo thời gian thực. Cách tiếp cận này giúp thiết bị hoạt động ổn định trong môi trường có độ trễ cao hoặc thiếu kết nối mạng. Đi cùng với đó là hệ thống cảm nhận và tránh vật cản, radar và thị giác máy tính. Nhờ các cảm biến này, UAV đạt khả năng tự hành cao, đủ để bay qua địa hình phức tạp, vượt chướng ngại vật nhỏ như dây điện hay định hướng trong khu vực đô thị mà không cần tín hiệu GPS.

Tự chủ nhiệm vụ cũng là bước tiến đáng chú ý. UAV có thể tự nhận nhiệm vụ, lập lộ trình, xử lý tình huống bất ngờ như thay đổi thời tiết, rồi quay về trạm sạc một cách độc lập. Sự phát triển này kéo theo thay đổi trong vai trò của con người từ điều khiển trực tiếp chuyển sang giám sát, và cuối cùng chỉ đóng vai trò tiếp nhận kết quả vận hành. Mô hình mới giúp một nhân sự có thể quản lý nhiều UAV đồng thời, tạo lợi thế cho các lĩnh vực như giao hàng, giám sát công trình hay cứu hộ.

Trong 10 năm tới, UAV được dự báo sẽ đạt mức tự động hóa cao hơn, vận hành theo cơ chế “quản lý theo ngoại lệ”. Ở mô hình này, con người không cần giám sát liên tục mà chỉ can thiệp khi hệ thống phát hiện tình huống bất thường. Sau năm 2030, mức tự hành hoàn toàn được kỳ vọng hình thành, cho phép UAV tự ưu tiên đường bay, tự xử lý sự cố và hoàn thành nhiệm vụ mà không cần bất kỳ hỗ trợ nào từ mặt đất.

Drone Swarm: Sức mạnh cộng hưởng của “trí tuệ bầy đàn”

Drone Swarm cũng được xem là hướng phát triển quan trọng của UAV trong thập kỷ tới, khi sức mạnh không còn nằm ở những thiết bị đơn lẻ mà đến từ khả năng phối hợp của cả một tập hợp UAV/drone quy mô lớn. Thay vì vận hành dựa trên một trung tâm điều khiển duy nhất như các màn trình diễn ánh sáng hiện nay, công nghệ bầy đàn thế hệ mới hoạt động bằng trí tuệ nhân tạo phân tán. Mỗi UAV tự đánh giá tình huống và đưa ra quyết định, tạo nên một hệ thống linh hoạt và khó bị vô hiệu hóa.

Một bầy đàn drone - Ảnh: Shutterstock

Cơ chế vận hành này lấy cảm hứng từ các hiện tượng tự nhiên như đàn chim hoặc đàn cá. Mỗi UAV tuân theo quy tắc tương tác cục bộ với những thiết bị ở gần, từ đó hình thành đội hình ổn định mà không cần chỉ huy trung tâm. Nhờ cấu trúc phi tập trung, hệ thống có khả năng “tự chữa lành” khi một hoặc nhiều UAV gặp sự cố, đội hình sẽ tự tái cấu trúc để đảm bảo nhiệm vụ được tiếp tục. Việc loại bỏ “điểm lỗi duy nhất” giúp bầy đàn duy trì hiệu suất ngay cả trong môi trường phức tạp hoặc có nguy cơ tác động vật lý cao.

Trên thực tế, hiệu quả của Drone Swarm đã được chứng minh qua nhiều ứng dụng. Trong lĩnh vực nông nghiệp chính xác, bầy đàn gồm hàng chục UAV nhỏ có thể thay thế những máy bay lớn phun thuốc truyền thống. Mỗi thiết bị đảm nhiệm một ô ruộng riêng, giúp việc phun và giám sát cây trồng trở nên chính xác hơn. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, các UAV quay về trạm sạc theo chu kỳ luân phiên, cho phép hệ thống duy trì hoạt động liên tục cả ngày lẫn đêm.

Trong công tác tìm kiếm cứu nạn, UAV bầy đàn mang lại lợi thế về tốc độ và phạm vi bao phủ. Khi xảy ra thảm họa, hàng chục thiết bị có thể chia nhau quét một khu vực rộng lớn chỉ trong vài phút, đồng thời xây dựng bản đồ 3D theo thời gian thực. Điều này giúp lực lượng cứu hộ phát hiện nạn nhân nhanh hơn nhiều so với phương pháp thủ công.

Ở lĩnh vực nghệ thuật và giải trí, các màn trình diễn ánh sáng bằng drone hiện nay mới chỉ là bước khởi đầu. Với sự phát triển của công nghệ điều phối và hiển thị hình ảnh trên không, tương lai có thể xuất hiện những cụm UAV tạo thành các bảng quảng cáo 3D di động, mở ra hình thức truyền thông hoàn toàn mới trên bầu trời.

Chinh phục tầng bình lưu

Trong bối cảnh không gian quỹ đạo ngày càng đông đúc, tầng bình lưu ở độ cao khoảng 20 km đang trở thành lựa chọn mới cho các hệ thống bay tầm cao thời gian dài. Đây là khu vực hoạt động của HALE UAV và các nền tảng HAPS (các thiết bị bay không người lái có thể giữ vị trí cố định) - những phương tiện được ví như “vệ tinh giả” nhờ khả năng bay lâu, ổn định và chi phí vận hành thấp.

Khác với vệ tinh đòi hỏi chi phí phóng lớn và không thể sửa chữa, các thiết bị này có thể cất hạ cánh như máy bay thông thường, hoạt động liên tục trong nhiều tháng rồi quay về để bảo trì hoặc nâng cấp.

Zephyr sử dụng năng lượng mặt trời và bay nhờ đôi cánh có sải rộng dài 22m - Ảnh: Airbus

Với vị trí nằm giữa máy bay thương mại và vệ tinh quỹ đạo thấp, HAPS sở hữu nhiều lợi thế đặc biệt. Khoảng cách gần mặt đất giúp thiết bị cung cấp dịch vụ viễn thông 5G/6G với độ trễ thấp, tương đương trạm phát sóng mặt đất. Một trạm duy nhất có thể phủ sóng khu vực có đường kính tới 200km, thay thế hàng trăm tháp viễn thông truyền thống. Khả năng duy trì vị trí cố định trong thời gian dài cũng cho phép HAPS thực hiện giám sát biên giới, theo dõi cháy rừng hoặc quan sát biến động môi trường với độ phân giải cao và tần suất cập nhật liên tục.

Năm 2025 đánh dấu những bước tiến quan trọng của công nghệ này. Máy bay Zephyr do Airbus phát triển đã lập kỷ lục bay 67 ngày liên tục trong tầng bình lưu nhờ hệ thống pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao kết hợp pin Lithium-Silicon mật độ lớn, đảm bảo hoạt động ổn định ngay cả trong điều kiện lạnh sâu. Cùng năm, SoftBank (Nhật Bản) thử nghiệm thành công truyền dẫn 5G từ thiết bị mô phỏng HAPS xuống điện thoại di động thông thường, cho thấy tiềm năng sử dụng nền tảng này như trạm phát sóng bay. Bên cạnh đó, việc Mira Aerospace đưa vào vận hành nhà máy sản xuất HAPS tại Abu Dhabi (UAE) cho thấy công nghệ đã bước sang giai đoạn thương mại hóa.

Trong tương lai, HAPS không chỉ phục vụ nhiệm vụ trinh sát mà còn mở rộng sang nhiều lĩnh vực dân sự. Trong viễn thông khẩn cấp, thiết bị có thể khôi phục vùng phủ sóng ngay sau thiên tai khi hạ tầng mặt đất bị phá hủy. Trong nông nghiệp và môi trường, HAPS hỗ trợ theo dõi sức khỏe cây trồng và chất lượng đất với độ chi tiết cao. Ngoài ra, với sự phát triển của mạng 6G, HAPS có thể trở thành điểm trung chuyển dữ liệu, kết nối giữa vệ tinh, máy bay và mặt đất, hình thành một hệ sinh thái thông tin thống nhất.

Yếu tố then chốt quyết định tương lai của ngành UAV

Năng lượng được xem là yếu tố then chốt quyết định tương lai của ngành UAV. Dù công nghệ tự hành hay bầy đàn có tiến xa đến đâu, mọi thứ sẽ không thể vận hành nếu nguồn năng lượng vẫn hạn chế như hiện nay.

Giới hạn lớn nhất kìm hãm ngành UAV suốt thập kỷ qua chính là pin. Nhưng rào cản này đang bị phá vỡ - Ảnh: Reuters

Hướng phát triển đầu tiên là pin nhiên liệu hydro. Đây là công nghệ đang được nhiều công ty tại Anh, Hàn Quốc và Singapore thương mại hóa. Điểm mạnh của pin hydro nằm ở mật độ năng lượng rất cao, gấp 3 -4 lần pin lithium-ion. Điều này cho phép một chiếc UAV vốn chỉ bay được 30 phút có thể hoạt động liên tục 3 - 5 giờ nếu dùng hydro.

Thời gian nạp nhiên liệu cũng rất nhanh, chỉ mất vài phút. Nhờ vậy, UAV có thể đảm nhiệm các nhiệm vụ tầm xa như kiểm tra đường dây điện, vận chuyển hàng hóa liên tỉnh hay giám sát diện rộng mà không phải dừng lại để sạc lâu như trước.

Hướng thứ hai là pin mặt trời màng mỏng hiệu suất cao. Các loại tế bào mặt trời mới, làm từ perovskite hoặc gallium arsenide, nhẹ và linh hoạt. Chúng có thể được gắn dọc theo sải cánh UAV, tạo nguồn năng lượng ổn định vào ban ngày. Khi kết hợp cùng pin lưu trữ, UAV hoạt động ở tầng bình lưu có thể bay liên tục nhiều tháng.

Hướng phát triển thứ ba là thế hệ pin mới như lithium-sulfur và pin thể rắn lithium-metal. Các công nghệ này được dự đoán sẽ đạt mật độ năng lượng 500 - 700Wh/kg vào giai đoạn 2028 - 2030, cao hơn nhiều so với pin hiện nay. Khi pin nhẹ hơn nhưng chứa được nhiều năng lượng hơn, UAV sẽ mang được tải trọng lớn, bay xa hơn và vận hành hiệu quả hơn.

Khi ba công nghệ trên được kết hợp, hiệu suất UAV sẽ tăng mạnh. Một máy bay cất hạ cánh thẳng đứng (VTOL) dùng để giao hàng, với tải trọng 500kg, có thể nâng tầm bay từ mức 80 - 150 km hiện tại lên 800 -1200 km. Đối với UAV tầm cao như HALE, thời gian bay có thể kéo dài tới 6 - 12 tháng mà không cần hạ cánh. Đây được xem là bước đột phá lớn, mở ra kỷ nguyên UAV hoạt động bền bỉ, không gián đoạn và chi phí thấp hơn.

UTM - mảnh ghép quyết định tương lai công nghệp UAV

Công nghệ UAV đang tiến rất nhanh, nhưng mức độ phổ cập của ngành lại phụ thuộc chủ yếu vào khung chính sách. Nếu không có quy định rõ ràng về quản lý không phận, các ứng dụng thương mại sẽ chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm. Vì vậy, hệ sinh thái chính sách được xem là yếu tố “sống còn” để UAV thực sự bước vào đời sống kinh tế - xã hội.

Một chiếc drone bay trên bầu trời - Ảnh: Reuters

Một trong những cấu phần quan trọng nhất là hệ thống quản lý giao thông hàng không không người lái (UTM). Đây được coi như “đèn giao thông trên trời”, vận hành song song nhưng tách biệt với hệ thống quản lý bay truyền thống dành cho máy bay có người lái.

UTM có nhiệm vụ tự động cấp phép bay, điều phối luồng tuyến, giám sát hoạt động và ngăn chặn nguy cơ va chạm giữa UAV với nhau hoặc với máy bay thương mại. Một thành phần bắt buộc của hệ thống là định danh từ xa (Remote ID), cho phép cơ quan chức năng nhận diện mọi UAV đang hoạt động, tương tự như biển số đối với phương tiện mặt đất.

Bên cạnh vấn đề an toàn bay, sự phổ biến của UAV tích hợp camera và cảm biến đặt ra yêu cầu ngày càng cao về bảo vệ quyền riêng tư. Trong thập niên tới, nhiều quốc gia dự kiến sẽ áp dụng các quy định chặt chẽ liên quan đến dữ liệu thu thập từ trên không, bao gồm phạm vi được quay chụp, trách nhiệm lưu trữ và cơ chế chia sẻ dữ liệu. Song song đó, các công nghệ chống UAV trái phép (anti-drone) cũng phát triển mạnh để bảo vệ sân bay, nhà máy điện và các khu vực trọng yếu khỏi nguy cơ xâm nhập bất hợp pháp.

Cuộc đua xây dựng khung chính sách cho UAV đang diễn ra trên quy mô toàn cầu. Mỹ, châu Âu, Trung Quốc, Singapore và UAE đều đầu tư mạnh vào việc phát triển “hạ tầng không phận số”, thể hiện qua các mô hình như U-Space của châu Âu, LAANC nâng cấp của Mỹ và hệ thống UOM của Trung Quốc.

Cùng với đó, vấn đề xác định quyền sở hữu không phận thấp đang được nhiều quốc gia làm rõ để phân định ranh giới giữa quản lý nhà nước và quyền sử dụng của chủ đất hoặc tư nhân. Việc thiết lập ranh giới này được xem là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ triển khai các dịch vụ bay tự động trong tương lai.

Hoàng Vũ