ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

หุ่นยนต์นักกระโดด

: เมื่อการออกแบบทางวิศวกรรมชนะธรรมชาติ

 

สําหรับหุ่นตัวนี้ ตั๊กแตนคงต้องเรียกพี่ และจิงโจ้อาจจะต้องเรียกพ่อ เพราะมันกระโดดได้เทพมาก!

หุ่นยนต์นักกระโดดดีไซน์ใหม่จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา (University of California Santa Barbara) นั้นกระโดดได้สูงกว่าที่ทุกระบบ ทุกกลไกการโดดที่พบเจอในสิ่งมีชีวิตที่มีบนโลกใบนี้จะทำได้ และทำลายสถิติหุ่นยนต์โดดได้ทุกตัวที่เคยมีมา

โดยปกติแล้ว วิศวกรหลายกลุ่มมักจะหาแรงบันดาลใจมาจากธรรมชาติ และสร้างเป็นหุ่นยนต์ชีวเลียนแบบ แต่สำหรับเอลเลียต กระบวนการวิวัฒนาการอาจจะยังทำได้ไม่ดีที่สุด และไม่ดีพอที่เขาจะเอามาลอกเลียน

เพราะถึงจะผ่านกระบวนการการคัดเลือกทางธรรมชาติ ผ่านวิถีแห่งการวิวัฒน์มานานแล้วนับล้านปี แต่ระบบในธรรมชาติยังไงก็ยังมีขีดจำกัดที่ข้ามผ่านได้ยาก

 

“แรงบันดาลใจของผมมาจากคำถามทางวิทยาศาสตร์” เอลเลียต ฮอว์กส์ (Elliot Hawkes) วิศวกรจากภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารากล่าว

กลไกการกระโดดที่พบในธรรมชาตินั้นถูกศึกษามานานแล้วนับศตวรรษ ขีดจำกัดของระบบในธรรมชาติ ส่วนใหญ่ก็รู้กันหมดแล้วว่ามีอยู่ที่ตรงไหนบ้าง แต่คำถามที่ค้างคาใจสำหรับเอลเลียต ก็คือ “ข้อจำกัดของการโดดในทางวิศวกรรมนั้นแท้จริงแล้วอยู่ที่ตรงไหน”

“ระบบทางชีวภาพนั้นมีขีดจำกัด เมื่อเทียบกับระบบวิศวกรรม” ชาร์ลส์ เซโอ (Charles Xaio) นักศึกษาปริญญาเอก ลูกศิษย์หัวแก้วหัวแหวนจากห้องทดลองของเอลเลียสที่ซานตาบาร์บารากล่าว “การกระโดดของระบบทางชีวภาพนั้นทำได้ดีที่สุดได้แค่เท่ากับระดับพลังงานที่ได้จากการบีบและคลายตัวของกล้ามเนื้อหนึ่งรอบเท่านั้น”

ก็ถ้ามองเทียบระบบการส่งแรงในธรรมชาติจะเริ่มจากกล้ามเนื้อที่หดและคลายเพื่อส่งแรงให้เกิดการดีดตัวผึงให้กระโดดเด้งขึ้นไปจากพื้น การดีดนี้จะเกิดขึ้นแบบผึงเดียวจบเรียกว่าไปได้ไกลและสูงแค่ไหนก็ขึ้นกับแรงดีดของกล้ามเนื้อแค่นั้น ดีดแล้วดีดเลย ไม่ได้มีการสะสมพลังงานเอาไว้เพื่อการกระโดดในครั้งต่อไป

และถ้าธรรมชาติทำได้ดีสุดแค่นี้ นี่คือขีดจำกัดที่เขาต้องการข้ามผ่าน เขาเริ่มหารือกับเอลเลียสและเริ่มคิดนอกกรอบเพื่อแก้ปัญหาสุดท้าทายนี้

 

พวกเขาเชื่อว่าระบบวิศวกรรมที่ออกแบบโดยมนุษย์ อาจจะไม่สามารถพบได้เลยในธรรมชาติ อาจจะทำได้ดีกว่าระบบที่สร้างขึ้นมาเพื่อเลียนแบบธรรมชาติได้ด้วยซ้ำ

เพราะถ้าการโดดขึ้นกับพลังงานของการดีด และถ้าเราสามารถออกแบบระบบที่จะช่วยสะสมและเพิ่มพูนพลังงาน (work multiplication) ให้มากพอ ก่อนที่จะโดดได้ หุ่นยนต์นักโดดก็น่าจะกระโดดไปได้ไกลกว่า (เพราะแรงดีดเยอะกว่า) ที่ระบบทางชีวภาพจะทำได้อย่างเห็นได้ชัด

เอลเลียสและชาร์ลจะออกแบบกลไกการดีดของหุ่นยนต์ของเขาแบบเดียวกับการเงื้อคันธนู โดยส่วนของตัวก้านคันศรทำด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ และเลือกใช้หนังยางเป็นตัวเก็บพลังงานแทนสายธนู หนังยางจะเหมือนเป็นสปริงที่คอยส่งแรงดีดเมื่อปล่อย

เมื่อหุ่นทำงาน มอเตอร์ของหุ่นจะค่อยๆ หมุนๆ บิดๆ เก็บเอาพลังงานเข้าไปฝากไว้ในหนังยางให้มากที่สุด ก่อนที่จะปล่อย พอปล่อย หุ่นยนต์ก็จะพุ่งตัวโดดผึงขึ้นไปในอากาศ ทำลายสถิติโลกหุ่นยนต์โดดได้ ก่อนที่จะร่วงกลับลงมาใหม่

ทั้งนี้ หุ่นจะโดดได้สูงหรือไกลแค่ไหนก็ขึ้นกับระดับพลังงานที่เก็บไว้ในเส้นหนังยาง ว่าจะสะสมเอาไว้มากเพียงไร และพร้อมระเบิดปล่อยแรงดีดออกมาได้มากแค่ไหน ยิ่งเก็บพลังงานได้เยอะ แรงดีดเยอะ หุ่นก็จะยิ่งโดดได้สูง

“เป็นที่น่าแปลกใจ หนังยางที่ช่วยเงื้อทำให้การบิดงอของคันธนูนั้นแรงมากขึ้น และคุณสามารถที่จะงอคันธนูได้มากกว่าที่คิดโดยที่คันธนูไม่ปริแตกหรือหัก” เอลเลียสกล่าว ซึ่งจะช่วยเพิ่มแรงส่งให้หุ่นยนต์ของเขาโดดได้สูงและไกลยิ่งขึ้นไปอีก

หุ่นยนต์นักโดดของเอลเลียสถูกออกแบบมาตามแนวคิดมินิมัล น้ำหนักเบาและตรงต้องตามหลักอากาศพลศาสตร์ทุกประการ หุ่นยนต์นักโดดสามารถกระโดดขึ้นได้ด้วยความเร็วสูงสุดถึง 30 ฟุตต่อวินาที หรือราวๆ เกือบๆ 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

และถ้ามองย้อนกลับไปที่แชมเปี้ยนนักโดดในธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตที่กระโดดได้โดดเด่นที่สุดบนโลกก็คือตัวกาลาโก (galago) หรือบุชเบบี้ (bush baby) ซึ่งเป็นสัตว์ในตระกูลไพรเมตขนาดเล็กที่มีขนาดพอๆ กับกระรอกที่สามารถพบเห็นได้ทั่วไป กาลาโกสามารถกระโดดได้สูงถึงราวๆ 10.5 ฟุต

แต่หุ่นยนต์นักโดดของเอลเลียสขนาดเพียงแค่ราวๆ 1 ฟุต จะว่าไปก็ไม่ได้ต่างไปจากขนาดของตัวกาลาโกมากนัก แต่สามารถกระโดดขึ้นไปได้สูงถึงเกือบ 100 ฟุต หรือเท่าๆ กับตึก 10 ชั้น เรียกได้ว่าตัวกาลาโกที่ว่าแน่ ก็ยังโดนทิ้งไม่เห็นฝุ่น

“หุ่นยนต์นี้กระโดดได้สูงกว่าหุ่นยนต์โดดได้เกือบทุกตัวในโลกนี้ หรือถ้าไม่ทั้งหมด อย่างน้อยก็ทุกตัวที่ฉันรู้จักแหละ” ซาราห์ เบิร์กบริอิเตอร์ (Sarah Bergbreiter) วิศวกรหุ่นยนต์จากมหาวิทยาลัยคาร์เนกี เมลลอน (Carnegie Mellon University) กล่าว

“สำหรับหุ่นยนต์นักโดดที่ใช้มอเตอร์เป็นตัวส่งแรง นี่น่าจะใกล้กับขีดจำกัดของความเป็นไปได้ที่จะสามารถสร้างขึ้นมาได้ด้วยวัสดุที่หาได้บนโลกนี้ และถ้าว่ากันตามหลักวิศวกรรม นี่ก็น่าจะดีที่สุดแล้ว เท่าที่จะทำได้” เอลเลียสสาธยายอย่างมั่นใจในเปเปอร์ของเขา “Engineered jumpers overcome biological limits via work multiplication” ที่เพิ่งจะได้รับการเผยแพร่ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 27 เมษายนที่ผ่านมา

แอบหมั่นไส้เล็กๆ ในความมั่น แต่ก็ต้องยอมรับว่างานวิจัยนี้โดดเด่นและน่าสนใจจริงๆ เพราะนอกจากผลจะออกมาดีเลิศแล้ว ยังสวนกระแสไบโอดีไซน์ (biodesign) ที่กำลังอินเทรนด์อยู่ด้วยในเวลานี้

ในขณะที่วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์มากมายกำลังเบนความสนใจมาที่เรื่องชีวเลียนแบบ ด้วยแนวคิดที่ว่าอะไรที่ผ่านการขัดเกลาและคัดเลือกผ่านกระบวนการทางวิวัฒนาการที่แสนโหดร้ายมาได้นานนับหลายล้านปีน่าจะดีที่สุด หรืออย่างน้อยก็ตอบโจทย์

แต่การมองในมุมที่ต่างไป แหกคอกและนอกกรอบของเอลเลียสและชาร์ล ทำให้พวกเขาได้มองเห็นจุดอ่อนของดีไซน์จากธรรมชาติ จนเกิดมาเป็นหุ่นยนต์ที่มีสมรรถนะเหนือกว่าหุ่นยนต์โดดได้ทุกตัวที่สร้างขึ้นมาจากไอเดียชีวเลียนแบบทั้งหมดที่เคยมีมา

เรียกว่าใช้แนวคิดทางวิศวกรรมมาแก้ปัญหาได้อย่างสวยงาม คุ้มค่า และน่าสนใจ

แต่อีกคำถามที่หลายคนยังคงค้างคาใจ นั่นก็คือ กระโดดได้สูง แล้วยังไงต่อ?

 

เอลเลียสมองว่าหุ่นยนต์ของเขาอาจจะใช้แก้ปัญหาในเรื่องการสำรวจพื้นที่ที่เข้าถึงได้ยากบนโลก แต่ในยุคนี้ที่ใครๆ ก็อยากจะไปอวกาศ เขาเชื่อว่าหุ่นยนต์เด้งดึ๋งของเขาอาจจะมีประโยชน์ในการสำรวจพื้นที่ทีเข้าถึงยากบนดาวดวงอื่นก็ได้เช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในพื้นที่ที่หุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยล้อยังไงก็เข้าไม่ถึง

เอลเลียสและทีมถึงขนาดคำนวณเผื่อไว้ให้เลยว่าจากการกระโดดหนึ่งครั้งบนดวงจันทร์ หุ่นยนต์นักโดดที่เขาดีไซน์ขึ้นมานี้จะสามารถกระโดดไปได้สูงถึงราวๆ 400 ฟุต หรือ 125 เมตร และอาจจะพุ่งไประยะทางไกลถึง 500 เมตรเลยทีเดียว ข้อมูลนี้ทำให้ผมย้อนนึกไปถึงฉากกระโดดหลบหนี และจู่โจมของจอห์น คาร์เตอร์ (John Carter) (ที่ตอนนั้นถูกเรียกว่าเวอร์จิเนีย) บนดาวอังคารในภาพยนตร์เรื่องจอห์น คาร์เตอร์ ปี 2012 ที่เคยดูมาในอดีต

ต้องบอกว่าถือเป็นอีกดีไซน์หนึ่งที่น่าจับตามอง เพราะนอกจากจะฉีกกระแสไปแบบไม่เหมือนใครแล้ว สมรรถนะยังโดดเด่นทีเดียวสำหรับหุ่นนักโดดนี้ โดดทีเดียว ก็สามารถสำรวจครอบคลุมพื้นที่ได้ค่อนข้างกว้าง ไม่แน่ว่าอาจจะเป็นคู่แข่งตัวสำคัญของโดรนสำรวจแห่งอนาคตก็เป็นได้

ซึ่งก็คงต้องรอดูกันต่อไปครับ เพราะเทรนด์นี้มาแน่นอน

และหากใครอยากดูเจ้าหุ่นยนต์กระโดด สามารถตามไปดูคลิปได้ที่ https://youtu.be/mvHXwTa5-DA ครับ