Robot giải Rubik nhanh nhất: 0,103 giây, làm sao được?

Kỷ lục robot giải Rubik qua các năm

Guinness gọi nội dung này là "robot giải khối xếp hình nhanh nhất" (fastest robot to solve a puzzle cube). Theo danh sách Guinness đăng kèm tin kỷ lục năm 2025, các mốc như sau (Guinness World Records):

Chỉ trong 16 năm, kỷ lục giảm từ hơn một phút xuống khoảng một phần mười giây. Mốc dưới một giây bị phá năm 2016, và từ đó mỗi lần cải thiện chỉ còn tính bằng phần trăm giây.

Để so sánh: kỷ lục thế giới WCA của người giải khối 3x3 là 2,51 giây cho một lượt giải, do Xuanyi Geng lập (WCA). Robot của Purdue nhanh hơn khoảng 24 lần. Câu chuyện kỷ lục 2,51 giây có trong bài Kỷ lục thế giới Rubik 3x3 mới: 2,51 giây.

Có một điểm cần nhớ: kỷ lục robot do Guinness công nhận, không phải WCA. WCA chỉ tổ chức thi đấu cho người. Hai loại kỷ lục có luật khác nhau nên không so sánh trực tiếp được.

Ai đứng sau các robot kỷ lục?

Purdubik's Cube (2025). Nhóm gồm Matthew Patrohay, Junpei Ota, Aden Hurd và Alex Berta, sinh viên ngành kỹ thuật điện và máy tính ở Đại học Purdue, với thầy hướng dẫn Nak-seung Patrick Hyun. Theo Guinness, nhóm tự bỏ tiền làm dự án. Matthew kể anh có ý tưởng từ hồi trung học, khi xem robot 0,38 giây của MIT (Guinness World Records).

Robot của Mitsubishi Electric (2024). Theo Guinness, khó khăn lớn nhất không nằm ở robot mà ở khối Rubik: khối không theo kịp tốc độ máy, bị kẹt ngay trong lần thử chính thức đầu tiên. Nhóm phải tinh chỉnh máy để khối không kẹt nữa (Guinness World Records).

Robot giải khối 4x4. Guinness có kỷ lục riêng cho khối 4x4. Tháng 5 năm 2025, hai anh em người Anh Matthew và Thomas Pidden làm được trong 45,30 giây, phá kỷ lục đứng từ năm 2014. Robot của họ dùng hai camera và bốn cánh tay; camera bị che bằng tấm chắn đến lúc bắt đầu, để máy không nhìn trước khối (Guinness World Records).

Robot giải Rubik như thế nào?

Mọi robot giải Rubik đều làm ba việc, theo đúng thứ tự:

1. Nhìn. Camera chụp các mặt khối, phần mềm nhận ra màu của từng ô và dựng lại trạng thái khối.
2. Tính. Máy tính tìm một chuỗi nước giải được trạng thái đó.
3. Quay. Động cơ quay các mặt khối theo đúng chuỗi nước vừa tính.

Robot nhanh cần cả ba việc đều nhanh. Theo trang tin của Đại học Purdue, Purdubik's Cube dùng thị giác máy để nhận màu, bộ giải do nhóm tự viết để giảm thời gian chạy, và phần cứng điều khiển chuyển động công nghiệp của hãng Kollmorgen. Mỗi nước quay đi theo đường tăng tốc và giảm tốc được tinh chỉnh riêng (Purdue University).

Khác với người, robot không cần học công thức hay đi theo từng tầng. Nó tính thẳng một lời giải ngắn cho đúng trạng thái trước mặt.

Bước "tính": thuật toán hai giai đoạn của Kociemba

Rất nhiều chương trình giải Rubik dựa trên ý tưởng của Herbert Kociemba, người đưa ra thuật toán hai giai đoạn năm 1992. Theo Wikipedia, mục đích của thuật toán là tìm thật nhanh một lời giải khá ngắn, không nhất thiết ngắn nhất. Với một khối xáo ngẫu nhiên, nó thường tìm ra lời giải 20 nước trở xuống trong một phần nhỏ của giây (Wikipedia).

Các trang về Purdubik's Cube không nói nhóm Purdue dùng thuật toán nào. Phần dưới đây giải thích cách làm của Kociemba vì đây là cách làm phổ biến và dễ hiểu nhất.

Nếu bạn chưa quen các chữ R, U, D, F, đọc trước bài Ký hiệu Rubik cho người mới.

Ý tưởng: chia bài toán làm hai

Kociemba chia các nước quay thành hai nhóm:

• Nước tự do: quay mặt trên (U) và mặt dưới (D) kiểu nào cũng được.
• Nước chỉ được quay nửa vòng: bốn mặt bên (R, L, F, B) chỉ được quay 180 độ, tức R2, L2, F2, B2.

Vì sao lại có giới hạn này? So sánh hai hình dưới. Quay R một phần tư vòng đưa các ô trắng của góc ra mặt trước và mặt sau:

1. Bạn đang có (đầu vào)
3. Sau công thức

Còn R2 đưa các ô trắng từ mặt trên xuống thẳng mặt dưới. Ô trắng và vàng của góc vẫn nằm trên mặt trên hoặc mặt dưới:

1. Bạn đang có (đầu vào)
3. Sau công thức

Chỉ dùng U, D và các nước nửa vòng thì các góc không bao giờ bị "xoắn" khỏi mặt trên và mặt dưới. Theo Wikipedia, các nước này tạo thành một nhóm nhỏ hơn hẳn toàn bộ khối, nên máy tìm lời giải trong đó nhanh hơn nhiều (Wikipedia).

Giai đoạn 2: giải bằng nước tự do và nước nửa vòng

Nếu khối đã ở trạng thái "giải được chỉ bằng U, D và nước nửa vòng", máy giải nốt bằng đúng các nước đó. Ví dụ, khối bên trái dưới đây giải được bằng bốn nước D F2 U' R2, không có nước một phần tư vòng nào của mặt bên:

1. Bạn đang có (đầu vào)
3. Sau công thức

Hãy để ý: trên khối bên trái, mọi ô trắng và vàng của các góc vẫn nằm ở mặt trên hoặc mặt dưới, dù các góc đã đổi chỗ.

Giai đoạn 1: đưa khối về trạng thái đó

Khối xáo ngẫu nhiên thường có góc bị xoắn, cạnh bị lật. Giai đoạn 1 tìm vài nước, được dùng mọi kiểu quay, để đưa khối về trạng thái giải được ở giai đoạn 2.

Ví dụ dưới đây do chúng tôi dựng để minh họa. Khối bên trái có góc bị xoắn: một số ô trắng nằm ở mặt bên. Lời giải R D F2 U' R2 gồm hai phần:

• R là giai đoạn 1: sau nước này, mọi ô trắng và vàng của góc trở về mặt trên hoặc mặt dưới.
• D F2 U' R2 là giai đoạn 2, giống hệt ví dụ ở trên.

1. Bạn đang có (đầu vào)
3. Sau công thức

Theo Wikipedia, Michael Reid chứng minh năm 1995 rằng giai đoạn 1 không bao giờ cần quá 12 nước và giai đoạn 2 không bao giờ cần quá 18 nước (Wikipedia). Chương trình thực tế còn thử nhiều cách chia khác nhau để tìm tổng ngắn hơn.

Lời giải của máy thường ngắn hơn lời giải của người rất nhiều, nhưng không phải luôn ngắn nhất. Lời giải ngắn nhất của trạng thái khó nhất là 20 nước, câu chuyện được kể trong bài Con số của Chúa Rubik.

Vì sao người không giải như robot?

Người không thể tính trước hàng triệu khả năng trong đầu trong vài giây. Vì vậy người giải đi theo một phương pháp chia nhỏ, như phương pháp tầng cho người mới hay CFOP, chấp nhận nhiều nước hơn để không phải suy nghĩ lâu.

Bạn có thể xem phương pháp tầng bắt đầu từ bước 1 của khoá học EasyRubic:

Còn robot thì ngược lại: tính rất nhanh nhưng phụ thuộc vào camera và động cơ. Giới hạn của robot ngày nay, như nhóm Mitsubishi Electric gặp phải, nhiều khi là chính khối Rubik không chịu được tốc độ quay.

Bảng tóm tắt các chuỗi nước trong bài

Mỗi chuỗi đi kèm hình của nó, cầm mặt trắng ở trên, mặt xanh lá ở trước.

• Nước một phần tư vòng, xoắn các góc: R

1. Bạn đang có (đầu vào)
3. Sau công thức

• Nước nửa vòng, không xoắn góc: R2

1. Bạn đang có (đầu vào)
3. Sau công thức

• Ví dụ giai đoạn 2: D F2 U' R2

1. Bạn đang có (đầu vào)
3. Sau công thức

• Ví dụ hai giai đoạn: R D F2 U' R2

1. Bạn đang có (đầu vào)
3. Sau công thức

Tự giải khối của bạn

Không cần robot, bạn vẫn có thể giải khối của mình. Với ứng dụng EasyRubic, bạn quét khối thật bằng camera, giống bước "nhìn" của robot, rồi xem lời giải từng bước trên khối 3D. Tải EasyRubic và thử ngay với khối bạn đang cầm.

Video tham khảo

Muốn xem bằng hình ảnh chuyển động? Video ngắn dưới đây của kênh QUỐC TẾ BÁCH KHOA HCM trên YouTube minh hoạ thêm cho nội dung bài. Video thuộc về kênh đó và được nhúng trực tiếp từ YouTube.

Nguồn tham khảo

• US students build robot that solves puzzle cubes faster than you can blink your eyes – Guinness World Records
• Fastest robot to solve a puzzle cube – Guinness World Records
• Purdue ECE students shatter Guinness World Record – Purdue University
• Japanese company's robot solves a puzzle cube in 0.305 seconds – Guinness World Records
• Brothers smash record with puzzle cube-solving robot – Guinness World Records
• Optimal solutions for the Rubik's Cube – Wikipedia
• WCA records – World Cube Association