Công nghệ cảm biến chuyển động tích hợp trong quả bóng World Cup

Quả bóng Trionda sẽ được dùng tại World Cup 2026 chứa đựng bộ cảm biến hiện đại, loại công nghệ thường thấy trên phi cơ, phương tiện không gian và các sản phẩm điện tử dân dụng.

Ở trận Thụy Điển gặp Tunisia ngày 15/6 tại FIFA World Cup 2026, người xem chứng kiến rõ giá trị của cảm biến chuyển động độ chính xác cao. Trái bóng Trionda cung cấp dữ liệu cho thấy tiền đạo Alexander Isak của Thụy Điển là người chạm bóng trước tiền vệ Mattias Svanberg. Từ bằng chứng này, trọng tài xác định Svanberg không rơi vào thế việt vị và bàn thắng được công nhận.

Cảm biến đặt trong bóng từng nhiều lần góp phần làm sáng tỏ các pha bóng gây tranh luận. Tại World Cup 2022, giải đấu đầu tiên sử dụng công nghệ này, hệ thống đã chỉ ra Ronaldo không phải người chạm bóng cuối cùng trong trận Bồ Đào Nha thắng Uruguay 2-0, dù cầu thủ này cho rằng mình đã tác động vào bóng.

Loại cảm biến Adidas tích hợp trong trái bóng được gọi là MEMS IMU, hình thành từ sự kết hợp giữa cảm biến đo lường quán tính (IMU) và hệ thống cảm biến vi - điện - cơ khí (MEMS).

Nguồn gốc công nghệ

Theo Institute of Navigation, IMU bắt đầu được phát triển tại Mỹ vào cuối những năm 1940 bởi Phòng thí nghiệm Đo lường thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), phối hợp cùng Northrop và Autonetics, với nguồn tài trợ từ Không quân Mỹ. Sang thập niên 1960, công nghệ này tiếp tục được hoàn thiện và đưa vào chương trình Apollo, máy bay quân sự cũng như máy bay thương mại.

Hai kỹ sư thực hiện các thử nghiệm trên hệ thống quán tính của tàu vũ trụ Apollo tại Phòng thí nghiệm Thiết bị đo đạc của MIT. Ảnh: Draper — Ảnh: Tham khảo trên vnexpress

Một hệ thống quán tính đời đầu dùng trên tàu vũ trụ Apollo tại Phòng thí nghiệm Thiết bị đo đạc của MIT. Ảnh: Draper

Các IMU cơ học ban đầu có thể hình dung như một cụm cảm biến luôn cố duy trì trạng thái ổn định trong không gian, nhờ hệ gimbal (cân bằng thiết bị) cho phép chuyển động tự do xung quanh. Bộ phận đo gia tốc tuyến tính vận hành bằng cách để một khối nặng hoặc con lắc phản ứng trước gia tốc, sau đó ghi nhận độ lệch hoặc lực điện từ cần dùng để giữ nó ở vị trí cân bằng.

Bộ phận còn lại là con quay hồi chuyển, có nhiệm vụ ghi nhận tốc độ quay, hoạt động thông qua một rotor quay nhanh đặt trong khung gimbal. Cơ chế này dựa trên định luật bảo toàn mô-men động lượng: khi rotor quay với tốc độ cao, trục của nó có xu hướng duy trì hướng ban đầu trong không gian. Nếu thiết bị chứa cảm biến xoay, rotor trong gimbal sẽ chống lại sự đổi hướng thay vì quay theo đúng góc tương ứng. Sau đó, máy tính xử lý độ chênh lệch giữa hướng rotor và vỏ thiết bị để tính ra vận tốc quay.

Những IMU thế hệ đầu khá cồng kềnh vì phải chứa nhiều cảm biến, khung treo gimbal, động cơ và mạch điều khiển. Ví dụ, IMU dùng trong chương trình Apollo có khối lượng khoảng 10 kg, chưa bao gồm toàn bộ máy tính dẫn đường, nguồn cấp và các linh kiện điện tử hỗ trợ khác.

Bước chuyển lớn xuất hiện khi MEMS cho phép chế tạo các chi tiết cơ khí siêu nhỏ, đủ để mô phỏng cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển ngay trên chip. Những cấu phần cơ học trước đây cần kích thước lớn đã được thu nhỏ xuống mức micromet. Nền tảng MEMS manh nha từ thập niên 1960, nhưng phải đến thập niên 1990 mới bước vào giai đoạn thương mại hóa.

Trong tiến trình phát triển IMU MEMS, cảm biến gia tốc xuất hiện và được dùng rộng rãi sớm hơn con quay hồi chuyển. Năm 1991 là dấu mốc đáng chú ý khi Analog Devices ra mắt ADXL50, cảm biến gia tốc MEMS đầu tiên được tích hợp hoàn chỉnh trên chip, có độ nhạy đủ để đo va chạm hoặc rung động, đồng thời chi phí phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Nhu cầu của ngành ôtô, nhất là hệ thống túi khí, đã thúc đẩy MEMS tiến nhanh. Khi xe xảy ra va chạm, cảm biến nhận biết gia tốc tăng đột ngột và gửi tín hiệu tới bộ điều khiển, trở thành một trong các ứng dụng đầu tiên đưa MEMS ra khỏi phạm vi phòng thí nghiệm.

Từ thập niên 2000, IMU MEMS dần trở nên phổ biến nhờ kích thước nhỏ hơn, giá thấp hơn, tiêu thụ ít điện và đạt độ chính xác phù hợp với thiết bị tiêu dùng. Người dùng smartphone tiếp xúc với IMU MEMS hằng ngày qua các thao tác như xoay màn hình, đếm bước chân hay tự bật sáng khi điện thoại được nhấc lên. Smartwatch, máy ảnh, máy chơi game, drone và robot cũng dựa vào loại cảm biến này để nhận diện chuyển động.

Theo công ty nghiên cứu và tư vấn Mordor Intelligence (Ấn Độ), quy mô thị trường IMU MEMS hiện vào khoảng 1,34 tỷ USD và được dự báo đạt 2,28 tỷ USD vào năm 2031. Thiết bị điện tử tiêu dùng đang chiếm 31% thị trường cảm biến này, nhưng tỷ trọng có thể biến động trong 2-4 năm tới khi xe tự hành phát triển mạnh.

Ứng dụng trong bóng Trionda

Từ xuất phát điểm là công nghệ phục vụ hàng không và quân sự, IMU MEMS nay đã trở thành một dạng cảm biến nền tảng. Ngoài các thiết bị phổ biến nói trên, cảm biến này từng được đưa vào bóng World Cup 2022 và tiếp tục được nâng cấp trên Trionda năm nay.

Trionda được phát triển từ sự hợp tác giữa Adidas và công ty công nghệ thể thao Đức Kinexon. Phần lõi của bóng tích hợp IMU MEMS, cho phép ghi nhận dữ liệu chuyển động theo thời gian thực.

Hình ảnh quả bóng Trionda. Ảnh: FIFA

Về bản chất, Trionda vận hành theo hướng tương tự công nghệ snicko, tên rút gọn của snickometer, tức hệ thống đo tiếp xúc bóng từng xuất hiện trước tiên trong môn cricket (bóng gậy). Theo New York Times, snicko kết hợp video quay chậm với đồ thị âm thanh từ micro siêu nhạy và hiển thị đồng thời trên màn hình. Khi hình ảnh cho thấy bóng lướt qua gậy trong lúc đồ thị âm thanh tạo một đỉnh nhọn, trọng tài có cơ sở kết luận bóng đã chạm gậy.

Vì vậy, công nghệ được dùng tại World Cup 2026 thường được truyền thông quốc tế ví như "snicko" của bóng đá. Dù vậy, biểu đồ ở World Cup 2026 không dựa trên âm thanh thu bằng micro như snicko, mà lấy dữ liệu từ cảm biến nằm trong Trionda. Cảm biến hoạt động ở tần số 500 Hz, ghi lại mọi tác động lên bóng 500 lần mỗi giây, kể cả những lực rất nhỏ khó nhận ra trên video quay chậm. Tần suất thu nhận dữ liệu này còn cao hơn snicko nguyên bản, vốn đồng bộ âm thanh với hình ảnh ở tốc độ 340 khung hình trên giây. Theo FIFA, dữ liệu được chuyển tức thời tới VAR, hỗ trợ xác định chính xác thời điểm bóng được đá, sượt chân, đổi hướng hoặc chạm tay.

Xét về nguyên lý, IMU MEMS biến chuyển động thành tín hiệu điện. Trong cảm biến gia tốc, một khối quán tính (proof mass) được treo bên trong vi mạch bằng các cấu trúc đàn hồi. Khi cảm biến dịch chuyển, khối này lệch khỏi vị trí do quán tính, khiến điện dung giữa các bản cực thay đổi. Hệ thống đo biến thiên đó để tính gia tốc theo ba trục X, Y và Z. Nhờ khả năng cảm nhận trọng lực, cảm biến còn xác định được độ nghiêng của thiết bị.

Ở cảm biến vận tốc góc, một cấu trúc vi cơ học được giữ trong trạng thái dao động liên tục. Khi xảy ra chuyển động quay, lực quán tính Coriolis khiến cấu trúc này lệch hướng. Độ lệch sau đó được chuyển thành thông tin về tốc độ quay quanh các trục. Để nâng cao độ chính xác, IMU thường tổng hợp dữ liệu từ cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc và đôi khi cả cảm biến từ trường (magnetometer), rồi xử lý bằng các thuật toán hợp nhất dữ liệu (sensor fusion).

Muốn dựng đường việt vị, VAR cần xác định đúng khoảnh khắc cầu thủ tác động vào bóng. Dữ liệu chuyển động mang lại độ chính xác cao hơn nhiều so với video, vốn có thể bị giới hạn bởi tốc độ ghi hình và góc máy. Công nghệ này cũng giúp nhận diện cầu thủ chạm bóng sau cùng để xác định người ghi bàn.

Việc đặt bảng mạch điện tử bên trong trái bóng tạo ra thách thức kỹ thuật lớn hơn đáng kể so với quy trình sản xuất bóng truyền thống, theo FIFA. Để xử lý yêu cầu đó, Kinexon thiết kế một hệ thống treo chuyên dụng nhằm cố định cụm cảm biến ở đúng tâm bóng. Cách bố trí này vừa bảo vệ linh kiện điện tử bên trong, vừa duy trì trọng lượng, độ cân bằng, quỹ đạo bay và đặc tính khí động học của bóng theo tiêu chuẩn thi đấu.

Nhằm bảo đảm hệ thống vận hành trọn vẹn trong trận đấu, cảm biến trên Trionda dùng pin có thời lượng liên tục 6 giờ sau mỗi lần sạc. Mức này được xem là đủ cho toàn bộ thời gian thi đấu chính thức, hai hiệp phụ cũng như loạt sút luân lưu.

Cảm ơn bạn đọc đã theo dõi bài viết. Bạn có thể tiếp tục xem thêm các nội dung liên quan bên dưới để hiểu rõ hơn về công nghệ đang làm thay đổi bóng đá hiện đại.