Học sinh lớp 8 ứng dụng trí tuệ nhân tạo để phân loại rác

Mới đây, tại Ngày hội STEAM 2025 của trường Nguyễn Siêu (quận Cầu Giấy, Hà Nội), bàn trưng bày sản phẩm của Nguyễn Thành Vinh và Trần Khải Tuấn đã thu hút sự chú ý của rất nhiều các bạn học sinh.

Sản phẩm của Vinh và Tuấn cũng từng giành giải nhất trong cuộc thi nghiên cứu khoa học quận Cầu Giấy, được tổ chức hồi cuối năm ngoái.

Ý tưởng dùng công nghệ để tránh lãng phí nguồn tài nguyên rác

Mùa hè năm ngoái, Thành Vinh bắt đầu chú ý đến việc rác thải hằng ngày thường bị đổ chung vào một thùng, dù nhiều loại có thể tái chế. Tình trạng này không chỉ gây lãng phí tài nguyên, mà còn làm tăng chi phí xử lý, gây ô nhiễm môi trường. Ý tưởng về một hệ thống phân loại rác tự động kết hợp AI để nâng cao độ chính xác nảy ra trong đầu Vinh.

Câu hỏi nghe có vẻ đơn giản, song để đi từ ý tưởng đến sản phẩm lại rất phức tạp. Vinh chia sẻ ý định này với người bạn cùng lớp, Khải Tuấn - từng có kinh nghiệm lập trình cơ bản. Sau khi cùng xem qua các ví dụ đã có, nhận thấy AI đang là xu hướng hiện nay, nên Thành Vinh đã đã đề xuất gợi ý dùng công nghệ này để có thể giúp máy phân loại rác nhanh và chính xác hơn. Theo cả hai, nếu hiện thực hóa thành công, đây còn là cách góp phần giảm áp lực cho các đơn vị thu gom rác tại đô thị.

Khó khăn ban đầu là hai nam sinh chỉ mới lớp 8, kiến thức về công nghệ, đặc biệt AI, còn khá mỏng. Ngoài những nền tảng về Tin học và Toán học cơ bản tại trường, Vinh và Tuấn phải tự tìm hiểu thêm tài liệu qua Internet, một số sách hướng dẫn lập trình, cũng như tham gia các nhóm thảo luận về AI hay hỏi các chuyên gia công nghệ, Sau đó, hai em lại tự mày mò, kiểm tra cách kết nối AI với phần cứng.

Đồng thời, thầy Nguyễn Văn Ninh (giáo viên môn Toán tại trường Nguyễn Siêu, thầy chủ nhiệm, người hướng dẫn Vinh và Tuấn) cũng thường xuyên động viên, truyền cảm hứng và hướng dẫn tỉ mỉ để 2 em quyết tâm thực hiện đề tài này.

Trở ngại lớn nhất là lập trình để AI “học” cách nhận biết rác

Mô hình phân loại rác của hai nam sinh hoạt động tương đối đơn giản về mặt trực quan, nhưng ẩn bên trong là các thuật toán AI phức tạp. Đầu tiên, khi rác được đặt lên băng chuyền, một cảm biến phía trên sẽ nhận tín hiệu, kích hoạt camera chụp hình. Hình ảnh này được gửi đến mô hình AI được nạp trong bảng mạch. AI phân tích xem rác thuộc nhóm nào: giấy/bìa, thủy tinh, kim loại, nhựa hay loại khác. Kết quả được phản hồi về mạch điều khiển, yêu cầu thanh gạt tự động đẩy rác đến thùng tương ứng. Tất cả diễn ra trong khoảng 1-2 giây, nhanh hơn nhiều so với phân loại bằng tay.

Điểm mấu chốt nằm ở việc AI “học” cách nhận biết rác. Thay vì chỉ dựa trên cảm biến màu sắc hoặc khối lượng, AI giúp nhận diện qua hình ảnh chi tiết, vì thế độ chính xác cao hơn. Chẳng hạn, AI sẽ phân biệt được chai nhựa dính nhãn giấy, mảnh giấy có mực in, hay thủy tinh màu khác nhau. Với các hệ thống không dùng AI, những trường hợp “lai” như chai nhựa kèm nilon mỏng đôi khi gây nhầm lẫn.

Theo Thành Vinh, trở ngại lớn nhất chính là lập trình AI. Hai nam sinh phải xây dựng một mạng nơ-ron nhân tạo (Neural Network), sau đó thu thập khoảng 15.000-20.000 hình ảnh rác từ nhiều nguồn khác nhau: mạng Internet, ảnh tự chụp, ảnh do bạn bè cung cấp. Quá trình này đòi hỏi sự kiên trì. Mỗi bức ảnh chất lượng xấu, mờ nhòe hoặc trùng lặp đều phải loại bỏ. Chất lượng dữ liệu đầu vào càng tốt, khả năng nhận dạng của AI càng chính xác.

Đồng thời, “dạy” cho AI xong chưa phải hoàn tất, mà còn cần quá trình kiểm tra liên tục: AI có nhầm loại nhựa vào kim loại không, có đọc sai hình dạng khi ảnh chụp ngược sáng không? Mỗi lần phát hiện sai sót, Tuấn và Vinh lại phải hiệu chỉnh tham số, bổ sung dữ liệu và huấn luyện lại. Kéo dài suốt cả tháng, đây là giai đoạn khiến hai em “khó khăn nhất nhưng cũng thú vị nhất,” bởi mỗi lần khắc phục lỗi là hiểu sâu thêm về cách AI “suy nghĩ.”

Những quả ngọt đầu tiên

Cuối năm 2024, sản phẩm được hoàn thiện và mang dự thi cuộc thi nghiên cứu khoa học kỹ thuật cấp quận. Mô hình đã thuyết phục ban giám khảo nhờ tính sáng tạo, khả năng ứng dụng thực tiễn cao, nên đã đoạt giải Nhất. Hai nam sinh cho biết, ban đầu hoàn thiện xong cũng không đặt kỳ vọng quá lớn. “Bọn em chủ yếu muốn xem sản phẩm vận hành ổn định đến đâu, chưa dám nghĩ đến giải thưởng”, Tuấn chia sẻ.

Bất ngờ hơn, nhiều ý kiến đánh giá hệ thống có thể triển khai ở các khu dân cư, nhất là ở cổng các chung cư hoặc tổ dân phố. Chính Thành Vinh cũng cho rằng, nếu đưa vào thực tế, người dân chỉ cần bỏ rác như bình thường, hệ thống AI sẽ làm phần còn lại. Nhờ tách riêng rác tái chế, việc xử lý sau đó trở nên đơn giản hơn, giảm công đoạn phân loại thủ công, tiết kiệm nhân lực và phí thu gom.

Thầy Nguyễn Văn Ninh cho biết phân loại rác truyền thống mất rất nhiều thời gian. Ứng dụng AI sẽ giúp việc phân loại sẽ chi tiết hơn, đồng thời giảm chi phí nhân công và hỗ trợ các nhà máy tái chế. Ví dụ, AI có thể phân loại chính xác giấy bóng có thể tái chế, hay mực in trên giấy bóng có thể xử lý được không.

Theo thầy Ninh, học sinh lớp 8 nghiên cứu khoa học kỹ thuật là điều mới mẻ, nhất là khi "chạm" tới công nghệ AI. Dù vậy, thầy hy vọng các học sinh sớm được tiếp cận công nghệ AI. Tuy nhiên, tiếp cận sớm không có nghĩa là các em lạm dụng, mà là sử dụng đúng mục đích, phục vụ được việc học của mình.

Dù nhận được phản hồi tích cực, Vinh và Tuấn tin rằng hệ thống vẫn cần cải tiến. Hiện tại, để tiết kiệm chi phí, nhóm sử dụng bảng mạch với tốc độ xử lý trung bình. Do đó, thời gian từ lúc camera chụp ảnh đến khi AI đưa ra phân loại còn phụ thuộc mạnh vào khả năng xử lý của phần cứng. Nếu thay bằng bảng mạch tốc độ cao, hoặc sử dụng công nghệ xử lý đồ họa GPU (Graphics Processing Unit) tối ưu, hệ thống sẽ rút ngắn thời gian phán đoán, phân loại được nhiều vật phẩm hơn trong cùng một lúc.

Ngoài ra, nguồn điện cung cấp cho băng chuyền và vi mạch vẫn là điện lưới gia đình. Hai em muốn lắp đặt pin mặt trời hoặc hệ thống điện gió để vận hành nhằm tăng tính độc lập về năng lượng. Như vậy, mô hình có thể hoạt động ở những nơi lưới điện không ổn định, đồng thời nâng cao khả năng bảo vệ môi trường. Sắp tới, cả hai sẽ trau dồi thêm kỹ năng lập trình, đặc biệt là ngôn ngữ python nâng cao, C++, để xây dựng nhiều mô hình AI khác, hỗ trợ quá trình nâng cấp sản phẩm.

Sau khi giành giải Nhất cấp quận, hai nam sinh dự kiến mang sản phẩm đi tham dự một số cuộc thi khoa học, tin học cấp thành phố. Dù biết những sân chơi đó có nhiều đối thủ giàu kinh nghiệm, thậm chí là các anh chị lớn tuổi hơn, nhưng Vinh và Tuấn vẫn xem đây là cơ hội quý để học hỏi công nghệ mới, nhất là AI nâng cao.

Khi được hỏi về tương lai, Thành Vinh bày tỏ mong muốn “đưa AI vào nhiều khía cạnh của đời sống, không chỉ dừng lại ở rác thải.” Đó có thể là phân loại nông sản, kiểm tra chất lượng sản phẩm trong dây chuyền sản xuất, hay thậm chí hỗ trợ giao thông thông minh. Những ý tưởng này thể hiện sự năng động, tiềm năng sáng tạo của thế hệ trẻ: họ nhìn thấy AI vừa là công cụ, vừa là động lực giải quyết những vấn đề nhức nhối của xã hội.

Câu chuyện của Thành Vinh và Khải Tuấn không chỉ đơn thuần là một dự án nghiên cứu khoa học nhỏ lẻ, mà còn phản ánh sự dũng cảm dấn thân vào công nghệ mới, dù tuổi đời còn rất trẻ. Dẫu mô hình vẫn còn một số hạn chế nhưng một khi hai em và nhà trường tiếp tục đầu tư kỹ thuật cũng như dữ liệu, tính ứng dụng của hệ thống AI phân loại rác sẽ rõ ràng hơn, góp phần giảm thiểu gánh nặng xử lý rác thải trong tương lai./.