ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

สแน็ก…โดรน

เหยี่ยวถลา หนึ่ง สอง ‘เกาะ’

 

นั่นมันนก ไม่ใช่นก นั่นมันเครื่องบิน ก็ไม่ใช่อีก นั่นมันโดรน!

ว่าแต่โดรนอะไรหน้าตาประหลาด อ้าว! บินเข้าพุ่มไม้ไปแล้ว จะชนแล้ว จะชนแล้ว อ้าว! เกาะซะงั้น

วิศวกรจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดเพิ่งจะเปิดตัว “stereotyped nature-inspired aerial grasper” หรือสแน็ก (SNAG) ในวารสาร Science Robotics จนเป็นที่ฮือฮาในวงการหุ่นยนต์

เท่าที่ผ่านมา การร่อนลงจอดของเครื่องบิน หรือยาน หรืออะไรก็ตามที่มนุษย์สร้างขึ้นให้บินได้ จำเป็นต้องใช้พื้นที่รองรับการลงจอดที่เรียบโล่งๆ กว้างๆ และต้องไม่มีสิ่งกีดขวางการร่อนลง ถึงจะเหมาะสมกับที่จะเป็นลานจอด

และถ้าไม่มีที่เหมาะสมให้ลงจอด ต่อให้โดรนสี่ใบพัด หรือควอดคอปเตอร์ (quadcopter) ที่ว่าเจ๋งที่สุด ก็จะทำได้แค่บินวนไปวนมารอบๆ บริเวณเท่านั้น

ปัจจุบัน น่าจะต้องเพิ่มการลงเกาะเป็นอีกหนึ่งเวอร์ชั่นของการลงจอดแบบล่าสุดของโดรน เพราะโดรนรุ่นใหม่ สแน็กได้แรงบันดาลใจการสร้างมาจากมวลวิหคปักษาให้สามารถ “ยึดเกาะ” ขอนไม้ได้ตามใจปรารถนา (ของคนบังคับ) ไม่ว่าจะเป็นสุมทุมพุ่มไม้ กิ่งไม้ ขอนจริง หรือว่าคอนประดิษฐ์ สแน็กก็เกาะได้หมด

“เราอยากจะให้โดรนสามารถลงจอดได้ทุกที่ และนั่นทำให้การออกแบบนี้น่าสนใจในเชิงวิศวกรรมและหุ่นยนต์” เดวิด เลนทิงก์ (David Lentink) ผู้ช่วยศาสตราจารย์และนักวิจัยหุ่นยนต์จากสแตนฟอร์ดกล่าว

ในการออกแบบสแน็กขึ้นมา วิศวกรต้องศึกษาการบินและการลงเกาะคอนของนกอย่างละเอียด กว่าที่จะเริ่มเห็นภาพและเข้าใจหลักการทางฟิสิกส์ของการเกาะคอนของนกอย่างลึกซึ้ง

“หลังจากวิวัฒนาการมานานนับล้านปี พวกนกสามารถขึ้นบินและร่อนลงเกาะดูเป็นเรื่องง่ายดาย แม้กิ่งก้านสาขาต้นไม้ที่คุณจะพบได้ในป่าจะมีความซับซ้อนและหลากหลายมากเพียงใดก็ตาม แต่การจะเลียนแบบการบินและการยึดเกาะของนกนั้นไม่ง่ายเลย” วิลเลียม รอดเดอริก (William Roderick) วิศวกรและอดีตนักศึกษาปริญญาเอกจากทีมวิจัยของเลนทิงค์ ผู้อยู่เบื้องหลังการออกแบบโดรนสแน็กกล่าว

ต้นแบบของสแน็กนั้นจริงๆ เป็นนกแก้วสีฟ้าชื่อ แกรี่ (Gary)

แกรี่ถูกฝึกโดยไดอาน่า ชิน (Diana Chin) นักศึกษาปริญญาเอก สาขาวิศวกรรมเครื่องกลของสแตนฟอร์ดให้ หนึ่งในทีมวิจัยของแลนทิงก์ให้เป็นดาราหน้ากล้องที่จะบินมาเกาะคอนตามคำสั่ง พวกเขาอัดคลิปการเกาะคอนของแกรี่ด้วยกล้องวิดีโอความไวสูง 5 ตัว

คอนที่ให้แกรี่เกาะจะถูกประกอบขึ้นพิเศษ จากวัสดุที่มีคุณสมบัติต่างๆ กัน เช่น ไม้ กระดาษทราย เทฟลอนและโฟม โดยจะมีเซ็นเซอร์วัดแรงกดซ่อนอยู่ข้างใน

และเมื่อชินชี้นิ้วออกคำสั่งให้มันบินไปเกาะที่คอน แกรี่ก็จะบินไปเกาะที่คอนแบบต่างๆ พร้อมเดินไปมาอย่างร่าเริงบนคอนก่อนจะหันมารอรับธัญพืชของโปรดเป็นรางวัล

น่าสนใจครับ เพราะไม่ว่าจะเป็นคอนแบบไหน แกรี่ก็สามารถลงเกาะได้แบบชิลๆ แม้แต่คอนพิเศษที่ทำจากเทฟลอนที่มีพื้นผิวทั้งเรียบและลื่น ที่ตอนแรกทีมนักวิจัยคิดว่าจะเป็นปัญหาในการลงเกาะ

รอดเดอริกเผยว่า จากการวิเคราะห์ภาพถ่ายจากกล้องวิดีโอความไวสูง นกน้อยแกรี่และเพื่อนๆ นกของมันอีกสองสามตัวใช้ท่วงท่าแบบเดียวกันหมดในการลงเกาะคอน ไม่ว่าคอนจะทำจากวัสดุอะไรก็ตาม

“ตอนที่เราเริ่มประมวลผลข้อมูลอัตราเร็วในการเข้ายึดจับคอนและแรงที่นกใช้ในการลงเกาะ เราไม่เห็นความแตกต่างอะไรเลย แต่พอวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของอุ้งเท้าและเล็บในเชิงจลนศาสตร์อย่างละเอียด เราก็เจอว่านกจะใช้การปรับแรงที่อุ้งเท้าและกรงเล็บในการเข้าหาและยึดจับวัสดุตอนลงเกาะ” ชินกล่าว

ชัดเจนว่าแกรี่จะใช้แรงในการจับคอนที่ต่างกันไปตามวัสดุที่มันสัมผัส ซึ่งในมุมของรอดเดอริก นี่เป็นเรื่องที่น่าแปลกใจมาก

แต่ถ้ามองย้อนกลับไป จริงๆ ยุทธศาสตร์ในการยึดเกาะแบบนี้ ก็ไม่ได้น่าแปลกใจอะไรขนาดนั้น เพราะถ้าตัวนกเองยังไม่ได้สัมผัสเลยว่าพื้นผิวเป็นอย่างไร แล้วจะรู้ได้อย่างไรว่าจะเกาะพื้นผิวแบบไหน จะเรียบ ลื่น นิ่ม แข็ง หรือสาก แล้วควรจะใช้แรงเท่าไรในการยึดเกาะ

เมื่อสัมผัสวัสดุที่ขรุขระหรือว่านิ่ม ยึดจับได้ง่าย นกจะใช้อุ้งเท้าและนิ้วทั้งสี่ในการยึดเกาะ นิ้วทั้งสี่จะจับกับวัสดุไว้แน่นและมั่นคง แต่พวกมันมักจะไม่กดฝังเล็บลงไป ในขณะเดียวกันถ้าคอนทำจากวัสดุที่เรียบลื่นเกาะยาก นกจะเกาะแบบฝังเล็บ ซึ่งการเปลี่ยนโหมดจากการเกาะแบบใช้อุ้งเท้าและนิ้วมาใช้เล็บนั้นจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ในช่วงเวลาแค่เป็นมิลลิวินาทีเท่านั้น

นั่นหมายความว่าถ้าจะออกแบบหุ่นยนต์เลียนแบบนกนั้น กลไกในการลงจอดกับการยึดจับกับพื้นที่นั้น สามารถออกแบบแยกออกจากกันได้อย่างเป็นเอกเทศ

“ถ้าเราสามารถเอาองค์ความรู้ทั้งหมดที่เราได้เรียนรู้นี้มาประยุกต์ใช้ เราจะสามารถสร้างหุ่นยนต์บินได้ ทำงานได้ในหลายโหมด สามารถปฏิบัติงานในสภาวะการณ์ที่หลากหลายมากขึ้นกว่าพวกโดรนที่เรามีอยู่แล้วในตอนนี้อย่างมหาศาล” ชินกล่าว

แม้จะใช้แกรี่ในการศึกษากลไกการลงจอดและยึดจับ แต่พอถึงเวลาออกแบบขากลสำหรับสแน็ก รอดเดอริกกลับได้แรงบันดาลใจมาจากกรงเล็บของนกเหยี่ยวเพเรกริน ซึ่งขึ้นชื่อลือชาว่าเป็นหนึ่งในนกที่บินเร็วที่สุดในโลก ซึ่งอาจจะเร็วได้ถึง 320 กิโลเมตรต่อชั่วโมง แทนที่จะเป็นแกรี่

ในการสร้างหุ่นต้นแบบ รอดเดอริกใช้เครื่องพิมพ์สามมิติพิมพ์โครงขากลของสแน็กขึ้นมาจากพลาสติกแล้วใช้สายเบ็ดและมอร์เตอร์แทนเอ็นและกล้ามเนื้อแบบเดียวกับที่เจอในขานก กรงเล็บของสแน็กสามารถหดเข้าและกดลงได้ภายในเวลา 20 มิลลิวินาที เพื่อช่วยในการยึดเกาะอย่างมั่นคง

ในช่วงปิดโควิด รอดเดอริกแบกเครื่องพิมพ์สามมิติกลับบ้านและจากการทดสอบประสิทธิภาพของโดรนสแน็กที่บ้านของเขาในโอเรกอน ผลการทดลองเป็นที่น่าประทับใจ นอกจากจะลงเกาะขอนไม้ รั้วบ้านได้เหมือนกับนกจริงๆ แล้ว สแน็กยังสามารถใช้กรงเล็บคว้าลูกเทนนิสที่ขว้างออกไปกลางอากาศ แถมยังสามารถบินไป ยกบีนแบ็กไปได้อีกด้วย

จุดอ่อนของสแน็กในตอนนี้คือ ยังต้องใช้คนบังคับอยู่ แต่ในอนาคต รอดเดอริกฝันว่า เขาอยากจะออกแบบหุ่นโดรนสแน็กรุ่นใหม่ให้ทำงานได้อย่างอัตโนมัติ บินเป็นฝูงหุ่นนก เบิร์ดบอต (bird bot) เข้าไปในป่า เก็บข้อมูล ถ่ายภาพนิ่งและวิดีโอจากมุมแบบ bird eye view จริงๆ ที่เราไม่เคยทำได้มาก่อน

เพื่อใช้ในการศึกษาระบบนิเวศที่กำลังเปลี่ยนไปจากสภาวะภูมิอากาศที่กำลังผันแปร

 

“นี่คือ ความมุ่งมั่นล้วนๆ งานนี้เกิดจากการคุยกันของวิล (รอดเดอริก) กับนักนิเวศวิทยาที่เบิร์กลีย์เมื่อหกปีก่อน จนได้ร่วมกันเขียนขอทุนมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐ เพื่อสร้างหุ่นยนต์บินได้ไว้ติดตามการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม” เลนทิงก์เผย

“งานวิจัยนี้ถูกที่ถูกเวลามาก เพราะตอนนี้มีรางวัล XPRIZE มูลค่า 10 ล้านเหรียญสหรัฐเพื่อออกแบบเทคโนโลยีในการติดตามการเปลี่ยนแปลงของความหลากหลายทางชีวภาพในป่าดงดิบอยู่” ซึ่งก็คงต้องดูต่อไปว่างานนี้จะก้าวหน้าไปจนถึงขนาดคว้ารางวัลใหญ่ XPRIZE มาครอง และเปลี่ยนแปลงวิธีการศึกษาระบบนิเวศได้จริงหรือไม่

ใครจะคิดเล่าครับว่า การเอาวิศวกรหุ่นยนต์มานั่งเลี้ยงและฝึกนกแก้วเกาะคอน จะได้นวัตกรรมออกมาเป็นโดรนที่มีกรงเล็บเหยี่ยวขึ้นมาได้ การศึกษาการเกาะคอนของนก หลายๆ คนอาจจะมองว่าเป็นงานวิจัยที่ไม่ได้มีคุณค่า และต่อให้ทำออกมาก็ได้แค่องค์ความรู้ที่ตีพิมพ์เผยแพร่ขึ้นหิ้ง แต่งานแบบนี้สำหรับนักวิจัยที่มีจินตนาการ ถือเป็นรากฐานที่สำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่อาจจะมาดิสรัปต์เทคโนโลยีแบบเดิมๆ ไปแบบกู่ไม่กลับ

นี่คือตัวอย่างของงานวิจัยแบบบูรณาการที่แอบทำให้สะท้อนใจเมื่อมองย้อนกลับมามองที่การศึกษาในบ้านเราที่มีระบบการเรียนแบบแยกสาขากันอย่างชัดเจน

บางทีเราอาจต้องเริ่มย้อนคิดดูใหม่ว่า ในอนาคตอันใกล้ นักวิทยาศาสตร์ วิศวกร และนักพัฒนานวัตกรรมบ้านเราจะสร้างเทคโนโลยีบูรณาการข้ามศาสตร์แบบนี้ได้จริงหรือ หากระบบการศึกษายังเป็นเช่นเดิมๆ

ใต้ภาพ

1-ภาพถ่ายโดรนสแน็ก โดย William Roderick จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด

2-นักศึกษาปริญญาเอกและวิศวกร ไดอาน่า ชิน กับการทดลองเกาะคอนของนกแก้วแกรี่