Lập phương Rubik

Phân loại

Rubik hiện đại thường làm bằng nhựa, có bốn phiên bản chính là: 2×2×2 ("Khối bỏ túi"), 3×3×3 (Khối tiêu chuẩn), 4×4×4 ("Rubik báo thù") và 5×5×5 ("Rubik giáo sư"). Gần đây các khối lớn hơn đã xuất hiện trên thị trường như khối 6×6×6 và 7×7×7 (V-Cube 6 và V-Cube 7).
Từ khối Rubik tiêu chuẩn, người ta đã tạo ra các khối có dạng hình học khác như tứ diện (Pyraminx), bát diện (Skewb Diamond), khối 12 mặt (Megaminx) và khối 20 mặt (Dogic); hoặc các khối không lập phương như 2×3×4, 3×3×5, 1×2×3. Thậm chí hiện nay với máy tính, người ta đã có thể mô phỏng các khối Rubik trong không gian đa chiều mà bình thường không thể tạo ra ngoài thực tế.

Quá trình phát triển

Năm 1970, Larry Nichols tạo ra khối 2×2×2 "Trò chơi với các miếng có thể xoay theo khối", các khối được liên kết với nhau bằng nam châm và sáng tạo này đã được cấp bằng sáng chế 3 655 201 của Mỹ vào ngày 11 tháng 04 năm 1972.
Ngày 16 tháng 1 năm 1971, Frank Fox được cấp bằng sáng chế của Anh số 1 344 259 cho "khối 3×3×3 hình cầu".
"Lập phương Ma thuật" được Ernő Rubik phát minh vào năm 1974 bằng sự đam mê hình học và nghiên cứu những mẫu dạng ba chiều. Rubik được cấp bằng sáng chế của Hungary số HU170062 vào năm 1975 nhưng không đăng ký phát minh này ở các nước khác. Lô hàng đầu tiên được sản xuất vào năm 1977 và được bán ở Budapest. Khối của Rubik được làm bằng cách gắn các mảnh nhựa rời với các khe có thể trượt trên nhau nên rẻ hơn thiết kế bằng nam châm của Nichols. Tháng 9 năm 1979, Ideal Toys ký hợp đồng để mang trò chơi này đến với các nước phương Tây, trò chơi ra mắt ở Luân Đôn, Paris, Nürnberg và New York trong tháng 1 và 2 năm 1980.
Sau đó ít lâu, nhà sản xuất quyết định đổi tên cho nó. Hai tên "The Gordian Knot" và "Inca Gold" được đề xuất, nhưng cuối cùng công ty quyết định lấy tên "Khối Rubik", và lô hàng đầu tiên được xuất khẩu từ Hungary vào tháng 5 năm 1980.
Tận dụng sự "cháy hàng" ban đầu của món đồ chơi này, nhiều sự bắt chước xuất hiện. Năm 1984, Larry Nichols thông qua Moleculon Research kiện Ideal Toys vì đã vi phạm bằng sáng chế số US3655201. Vụ kiện thành công với khối 2×2×2 nhưng thất bại với khối 3×3×3.
Một người Nhật tên Terutoshi Ishigi cũng nhận một bằng sáng chế của Nhật cho một cơ chế tương tự Rubik, trong khi bằng sáng chế của Rubik đang được duyệt (bằng sáng chế JP55-0081912 vào năm 1976, năm thứ 55 triều Showa). Vào thời gian này, Nhật cấp bằng sáng chế cho các công nghệ chưa được biết đến ở Nhật. Do đó, phát minh của Ishigi được coi là độc lập với các phát minh trên.
Gần đây, nhà phát minh người Hy Lạp, Panagiotis Verdes đã nhận được bằng sáng chế cho phương thức sản xuất có thể tạo ra các khối Rubik lớn tới 11×11×11. Nó bao gồm những cơ chế cải tiến từ 3×3×3, 4×4×4 và 5×5×5 để có thể xoay nhanh hơn mà không bị vỡ như thiết kế hiện tại. Từ ngày 19 tháng 6 năm 2008, các khối 5×5×5, 6×6×6 và 7×7×7 đã được bày bán trên thị trường. Ngoài ra còn có nhiều loại rubik khác như rubik hình tròn, rubik tam giác, rubik ma thuật, rubik kim cương, rubik đa chiều, v.v...
Các hình dạng không vuông đã đề cập được tạo ra bởi Mèffert's Puzzles, công ty do Uwe Mèffert sáng lập.

Cơ chế

Khối Rubik tiêu chuẩn có chiều dài mỗi cạnh 5,7 cm, được tạo thành từ 26 khối nhỏ hơn. Phần giữa của mỗi mặt trong 6 mặt chỉ là một hình vuông gắn với các cơ chế khung làm lõi, đóng vai trò khung sườn cho cách mảnh khác dựa vào và xoay quanh. Khối Rubik có thể được tháo ra dễ dàng, thường bằng cách xoay một mặt 45° và lắc một khối ở cạnh cho tới khi nó rời ra. Tính chất này thường được dùng để "giải" khối Rubik.
Ở các cạnh của khối Rubik, các mảnh có các màu khác nhau ở các mặt. Tuy nhiên không phải mọi tổ hợp màu đều có trên khối; như với khối Rubik tiêu chuẩn, mặt xanh lá đối diện với mặt xanh dương nên sẽ không có cạnh giáp xanh lá và xanh dương.
Trong số 1982 của tờ Scientific American, Douglas Hofstadter đã chỉ ra cách tô màu khối Rubik để làm nổi bật các cạnh thay vì các mặt như cách tô tiêu chuẩn. Tuy nhiên ý tưởng này hiện vẫn chưa được thương mại hóa.

Thuật toán

Trong thuật ngữ của người chơi Rubik, một "thuật toán" (khái niệm này khác với thuật toán trong toán học) là một bộ các bước để thực hiện một công việc nào đó: chuyển từ trạng thái ban đầu đến trạng thái mong muốn. Các phương pháp giải khác nhau sử dụng các thuật toán khác nhau; với mỗi thuật toán cần nắm được công dụng và cách dùng.
Hầu hết thuật toán chỉ ảnh hưởng một phần nhỏ của khối mà không thay đổi các phần khác, chẳng hạn như xoay các khối ở góc, đổi vị trí các khối ở cạnh v.v. Một số thuật toán có tác dụng phụ làm thay đổi vị trí các mảnh khác lại thường đòi hỏi ít nước đi hơn và được dùng nhiều khi bắt đầu giải (chưa cần quan tâm tới vị trí các mảnh khác).

Thuật toán xoay nhanh

Các thuật toán xoay nhanh được tạo ra để giải khối Rubik trong thời gian nhanh nhất có thể. Phương pháp thường dùng nhất được phát triển bởi Jessica Fridrich, là phương pháp giải theo từng lớp có kết hợp các bước so với phương pháp thông thường tuy nhiên đòi hỏi người sử dụng phải nhớ một lượng thuật toán khá lớn (118 thuật toán). Các bước chính trong phương pháp này bao gồm: Cross (thực hiện tạo dấu cộng ở mặt chính); F2L (hoàn thành tầng 1 và tầng 2 cùng một lúc); OLL (làm đúng màu mặt cuối cùng); PLL (đổi tất cả các viên còn lại để tạo thành một Cube hoàn chỉnh)
Một phương pháp khác được phát triển bởi Lars Petruss bao gồm việc giải một khối 2×2×2 rồi đến 2×2×3 và các cạnh được giải bởi một bộ thuật toán 3 bước, thường tránh được một thuật toán 32 bước về sau. Do đó phương pháp này được dùng trong các cuộc thi có tính số bước xoay.

Thuật toán căn bản

Hầu hết các phương pháp giải chỉ cần 4 hoặc 5 thuật toán nhưng không hiệu quả, cần tới khoảng 100 hoặc 150 lần xoay để giải, trong khi phương pháp của Fridrich chỉ cần khoảng 55 lần xoay.
Philip Marshall đã phát triển thêm phương pháp của Fridrich, cần 65 lần xoay tuy nhiên chỉ cần nhớ 2 thuật toán.
Phương pháp phát triển bởi Ryan Heise không dạy cho người chơi một thuật toán nhất định mà chỉ ra các quy tắc của khối để người chơi suy luận; phương pháp này có thể giải khối Rubik trong khoảng 40 lần xoay.

Thi đấu

Đã có rất nhiều cuộc thi xoay nhanh được tổ chức để tìm ra người có thể giải khối Rubik nhanh nhất. Số lượng các cuộc thi ngày càng gia tăng. Từ 2003 đến 2006 đã có 72 cuộc thi. Giải đấu đầu tiên được tổ chức bởi Guinness ở München ngày 13 tháng 3 năm 1981. Các khối Rubik được xoay 40 lần và được làm trơn bởi dầu. Người chiến thắng với thành tích 38 giây là Jury Froeschi, người München.