http://update.se-ed.com     หน้าแรก    ฉบับก่อน      แนะนำ     ติดต่อเรา     สมาชิก     ซีเอ็ด      

ฉบับ 211 เมษายน 2548 ประจำฉบับ   o บอกกล่าว   o จดหมายถึงบ.ก.   o มองโลก   o มองไทย   o Space Hotline   o คุยกับชัยคุปต์   o นักวิทย์รุ่นเยาว์   o ประลองปัญญา   o เรื่องจากปก   o บทความ/สารคดี บอกรับจดหมายข่าว โปรดแจ้ง E-Mail ของคุณ Subscribe     Unsubscribe   Powered by YourMailinglist Provider.com   ดูจดหมายข่าวเก่า

สารคดีวิทยาศาสตร์ #211                 หุ่นยนต์หกขาที่ไม่มีวันหกล้ม   แรงบันดาลใจจากแมลงสาบ ทำให้นักชีววิทยาสร้างหุ่นยนต์ที่แม้จะเดินส่ายโคลงเคลงไปมา แต่ก็ไม่เคยสะดุดหกล้มเลยแม้แต่ครั้งเดียว         “ล้อ” เป็นประดิษฐกรรมที่รับใช้มวลมนุษยชาติมาหลายพันปีแล้ว แต่ โรเบิร์ต ฟูล บอกว่าคนเราประเมินค่าและให้ความสำคัญกับพาหนะติดล้อนี้สูงเกินไป มีสัตว์ในธรรมชาติกี่ชนิดล่ะ ที่เคลื่อนที่ไปมาด้วยการหมุนไปเหมือนล้อ ฟูลนับได้ชนิดเดียวนั่นคือ สัตว์ที่มีรูปร่างคล้ายกุ้งที่เรียกว่า สโตมาโทพอต (stomatopod) ซึ่งบางครั้งมันก็ม้วนตัวเองเป็นวงแล้วหมุนกลิ้งไปมาอยู่บนชายหาดของปานามา และมนุษย์เราก็คงเป็นสิ่งมีชีวิตอีกชนิดที่ชอบ “ล้อ” โดยเฉพาะบรรดาผู้เชี่ยวชาญที่องค์การนาซา พวกเขายืนยันว่าการส่งยานสำรวจติดล้อไปลงดาวอังคารนั้นจะประสบความสำเร็จมากกว่ายานสำรวจที่ใช้ขาในการเคลื่อนที่         “ทุกคนเชื่อว่าลูกล้อคือ รูปแบบของการเคลื่อนที่ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ซึ่งเป็นสิ่งที่ผิด” ฟูลกล่าว         โรเบิร์ต ฟูลนั้นมีตำแหน่งเป็นศาสตราจารย์ด้านชีวกลศาสตร์ของ มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียที่เบิร์กลีย์ เรื่องราวความสนใจในสาขาวิชานี้ของเขานั้น สามารถย้อนหลังไปได้ถึงในสมัยเมื่อเขายังเป็นเด็ก เขาเคยจ้องดูการวิ่งอย่างรวดเร็วของปูโกสแครบ (ghostcrab) บนชายหาดในฟลอริดาในช่วงที่ครอบครัวของเขาไปพักผ่อน เขาบอกกับพ่อแม่ของเขาในภายหลังว่า “ผมต้องการเรียนให้สูงๆ เพื่อเฝ้ามองบรรดาสัตว์หน้าตาประหลาดเหล่านี้”         สิ่งที่เขาทำในฐานะหัวหน้าห้องปฏิบัติการพอลิเพดัล (PolyPEDAL) ท่ามกลางทีมวิจัยที่มาจากหลากหลายสาขาและหลายๆ คนมีวุฒิการศึกษา ต่ำกว่าปริญญานั้นก็คือ เขาจะทุ่มเทใส่ใจ ในการสร้างกฎเกณฑ์พื้นฐานจากการศึกษา การเคลื่อนที่ของสัตว์ต่างๆ พอลิเพดัล (polypedal)นั้นมีความหมายว่า“ขามาก มายหลายขา” และเพดัล (PEDAL) นั้นก็ คือ อักษรย่อของคำว่า Performance, Energetics, Dynamics of Animal Locomotion งานต่างๆ ของทีมงานของฟูลนั้น รวมถึงการนับ “เส้นขน” บนนิ้วเท้าของตุ๊กแก และสร้างหุ่นยนต์ที่มีขาหลายขาแต่ไร้สมอง งานวิจัยของพวกเขานั้น พบกับความก้าวหน้าอย่างเต็มที่เมื่อสองสามปีที่ผ่านมานี้เอง เมื่อพวกเขาเริ่มใช้กล้องดิจิตอลความเร็วสูงในการจับภาพแมลงสาบ ตะขาบ และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่วิ่งอยู่บนสายพานลู่วิ่งขนาดเล็ก ฟูลพบว่าแมลงสาบที่วิ่งด้วยความเร็วสูงสุดนั้นจะทิ้งน้ำหนักตัวเองลงที่ขาหลังและวิ่งเหมือนกับคนเราไม่มีผิด (ฟูลกล่าวว่า “ยังไงผมก็ยังเห็นว่า พวกมันเป็นสิ่งที่น่าขยะแขยงอยู่ดี”)         ทีมวิจัยพอลิเพดัลก็ทำงานขั้นต่อไปโดยสร้างทางวิ่งสำหรับแมลงขึ้นมา ทางวิ่งนี้ติดตั้งกล้องถ่ายวิดีโอความเร็วสูงไว้ด้วย ทำให้พวกเขาสามารถวัดแรงที่แน่นอน วัดตำแหน่งการวางขา และวัดช่วงเวลาการก้าวขาเล็กๆ แต่ละก้าวของแมลงได้อย่างแม่นยำ พื้นทางวิ่งนั้นมีวัสดุยืดหยุ่นไวแสง (Photoelastic material) ที่สอดอยู่ตรงกลางระหว่างแผ่นหักเหและตัดแสง (polarizing filters) สองแผ่นเหมือน แซนด์วิช  แสงจะสามารถส่องผ่านชั้นวัสดุทั้งสามชั้นนี้ได้ เมื่อแมลงสาบวิ่งผ่านพื้นทางวิ่ง ขาของมันก็จะทำให้พื้นทางวิ่งเปลี่ยนรูปร่าง อุปกรณ์ที่ติดตั้งไว้สามารถวัดปริมาณการเปลี่ยนแปลงที่เล็กน้อยนี้ได้ (ในตอนแรก ทีมงานวิจัยใช้เยลลี่รสส้มเป็นพื้นทางวิ่ง แต่ปรากฏว่า บรรดาแมลงสนใจที่จะกินพื้นทางวิ่งมากกว่า)         การศึกษาช่วงเวลาที่เหลื่อมล้ำกันนั้นแสดงให้เห็นว่า ขาของแมลงสาบหรือขาแมลงชนิดอื่นๆ นั้น ในความเป็นจริงไม่ได้แตกต่างจากท่อนไม้ติดสปริงที่เรียกว่า โปโกสติก (po go stick เครื่องเล่นที่มีลักษณะเหมือนท่อนไม้ มีที่เหยียบหรือพักเท้า และตรงส่วนปลายที่ติดกับพื้นนั้นมีสปริงติดอยู่ด้วย) ถ้าเราสร้างกราฟแสดงแรงที่แมลงใช้ในการก้าวขาทุกๆ ก้าว รูปกราฟที่ได้นั้นก็คือ กราฟรูปคลื่นไซน์ (sine curve) ซึ่งเส้นกราฟจะขึ้นสูงสุดในขณะที่แมลงดีดขาขึ้นมาและลดลงเป็นศูนย์ในช่วงที่ขากวาดอยู่กลางอากาศ และเส้นกราฟลดลงจนกระทั่งติดลบในช่วงที่วางขาลงกับพื้นเหตุการณ์แบบนี้จะเกิดขึ้นซ้ำๆ กัน จังหวะการก้าวนั้นก็คือการ   กระโดด การเดินหรือการวิ่งนั้นก็คือ การ    กระโดดไปข้างหน้าอย่างง่ายๆ จากโปโกติกอันหนึ่งไปสู่อีกอันหนึ่ง และมีการเคลื่อนที่แกว่งไปมาทางด้านข้างเพื่อให้เกิดการทรงตัวที่มั่นคง สุนัขจะกระโดดโดยใช้ขาสองข้างพร้อมกัน แมลงสาบ (ที่น่าทึ่งก็คือ ตะขาบ) จะกระโดดด้วยขาสามข้างพร้อมกัน และปูจะกระโดดด้วยขาสี่ข้างพร้อมกัน         กฎดังกล่าวนี้เป็นสากลและสามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ได้อย่างง่ายๆ ด้วย ภาพวิดีโอของฟูลซึ่งมีส่วนช่วยให้ความฝันในการสร้างภาพเคลื่อนไหวของแมลงในภาพยนตร์การ์ตูนอะบักส์ไลฟ์ (A Bug's Life) เป็นจริง แต่สิ่งต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับงานของฟูลนั้นมีความชัดเจนที่สุดเมื่อเขาสร้างหุ่นยนต์ขึ้น การเคลื่อนที่ของมันก็ราบรื่นอย่างน่าประหลาด มีการสั่นไหวขึ้นๆ ลงๆ เพียงเล็กน้อยเท่านั้น และพวกมันยังสามารถที่จะรักษาการยืนบนพื้นเพื่อให้เกิดการทรงตัวอย่างมั่นคงไม่หกล้มได้ด้วยขาสามขา แต่การเดินและยืนนี้ก็ไม่เหมือนกับการทำงานของขาจริงๆ บรรดาสัตว์ต่างๆ นั้นเดินอย่างมั่นคงแบบแปรผันต่อเนื่อง ในบางช่วงของการเดินไปข้างหน้าอาจเกิดความไม่สมดุลขึ้น แต่เกิดการทรงตัวที่มั่นคงตลอดวงรอบของการเคลื่อนที่ สัตว์ที่มีขานั้นจะมีการทรงตัวที่มั่นคงตลอดเวลาทั้งการเดินและการวิ่ง         ถึงแม้ว่าขาต่างๆ นั้นจะมีหลายรูปร่างหลายขนาด แต่ก็มีลักษณะความยืดหยุ่นความเป็นสปริงเท่ากัน ขาทุกๆ ขาของสัตว์โลกนั้นมีกำลังเท่ากัน ฟูลพบว่าสิ่งมีชีวิตต่างๆ สามารถสร้างพลังงานเชิงกลได้ใน  ปริมาณเท่าๆ กัน นั่นคือ พลังงาน 1 จูล จะสามารถยกน้ำหนักตัว 1 กิโลกรัม ให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้ 1 เมตรในขณะเดินหรือวิ่งอยู่บนพื้นดิน ฟูลกล่าวว่า “มันเหมือนกันหมดทุกอย่างไม่ว่าจะเป็นสุนัข   แมลงสาบ หรือแม้แต่คน มันบ้าจริงๆ เลย”   โฉมหน้าของ RHex         โดยสรุปแล้วงานวิจัยแมลงสาบของ ฟูลนั้นเป็นการเปิดเผยข้อมูลของธรรมชาติออกมา เป็นเหมือนข้อมูลในอุดมคติ ทำให้การคำนวณหาค่าความยืดหยุ่นความเป็นสปริงของการเคลื่อนไหวทุกๆ ท่าของขานั้นเป็นเรื่องง่ายๆ จากข้อมูลความรู้ที่ได้ ก้าวกระโดดเล็กๆ ต่อไปของแนวความคิดนี้ก็คือ การออกแบบหุ่นยนต์ตัวแรกที่เดินได้อย่างมี ประสิทธิภาพ ด้วยการทำงานร่วมกับเหล่านักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยแห่งมิชิแกนและมหาวิทยาลัยแมคกิล ฟูลก็สร้างหุ่นยนต์ เร็กซ์ (Rhex ย่อมาจาก Robot hexapod) ขึ้นมา มันมีหกขา เป็นหุ่นยนต์แมลงสาบขนาดใหญ่ หน้าตาเหมือนกล่องขนมปังที่กระโดดได้ด้วยขาโปโกสติก 6 ขา หุ่นยนต์เร็กซ์นั้นไม่มีอุปกรณ์ตรวจวัดข้อมูลใดๆ ติดอยู่ ไม่มีกลไกการตอบสนอง ไม่มีชุดโปรแกรมช่วยนำทาง ไม่มีมือจับที่จะจับอะไรในโลกได้เลย มีแค่ขากระโดดได้หกขาเท่านั้น แต่มันก็ทำงานได้ดีอย่างน่าประหลาดใจ มันสามารถเดินข้ามผ่านผิวทางที่ขรุขระได้โดยไม่มีการสะดุดหกล้มหรือโซเซ สิ่งที่เหลือเชื่อที่สุดนั่นคือเมื่อออกแรงกระแทกเข้าที่ด้านข้าง หุ่นยนต์เร็กซ์ก็สามารถปรับตัวให้อยู่ในสภาพสมดุลได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ฟูลค้นพบว่า การปรับสภาพตัวเองให้เดินในสภาพที่มั่นคงนั้น ไม่ต้องการการเชื่อมโยงเส้นประสาท มันเป็นความอิสระที่เป็นผลมาจากการกระโดด เขากล่าวว่า “ระบบการปรับสภาพ มันมีอยู่ในรูปแบบกลไกของขาแบบนี้อยู่แล้วโดยอัตโนมัติ”   RHex กับแมลงสาบ ทั้งคู่ใช้เทคนิคในการทรงตัวแบบเดียวกันเมื่อเดินผ่านพื้นผิวที่ไม่ราบเรียบ         ฟูลตั้งข้อสังเกตว่า แมลงทั้งหลายอาจจะทรงตัวอย่างมั่นคงไม่หกล้มด้วย กลไกเดียวกัน ในคอมพิวเตอร์กระเป๋าหิ้วของเขานั้น มีภาพวิดีโอของแมลงสาบที่กำลังวิ่งไปบนพื้นอิฐที่ไม่ราบเรียบ ฟูล ครุ่นคิดในใจว่า “มันวิ่งไปบนพื้นผิวแบบ นี้ได้อย่างไรโดยความเร็วไม่ลดลงเลย ร่างกายมันตรวจวัดข้อมูลทุกๆ อย่างแล้ว ส่งข้อมูลทั้งหมดกลับสู่สมองอย่างนั้นหรือ? เป็นไปไม่ได้หรอก มันรวดเร็วเกินไป”         เพื่อทดสอบทฤษฎีนี้ เขาทดลองให้แมลงสาบมาบนสายพานลู่วิ่งออกกำลังกายอีกครั้ง ในครั้งนี้ ทีมงานของเขาติดเครื่องยนต์เจ็ตขนาดจิ๋วบนหลังของแมลงสาบ และเครื่องยนต์นี้ก็สามารถพ่นไอออกทางด้านข้างได้ในระหว่างทางที่แมลงสาบวิ่งไป เครื่องยนต์เจ็ตก็จะพ่นไอที่ทราบค่าแรงพ่นที่ออกมา เพื่อทำให้แมลงสาบเสียสมดุล ผลการทดลองที่ได้ทำให้ ฟูลประหลาดใจมาก เพราะแมลงสาบสามารถปรับสมดุลในการวิ่งได้ในเวลาน้อยกว่า 10 มิลลิวินาที ซึ่งรวดเร็วกว่า การตอบสนองของระบบประสาทอัตโนมัติใดๆ สมองไม่ได้สูญเสียพลังงานไปในการปรับสภาพการทรงตัวในการวิ่ง และแมลงสาบยังคงวิ่งต่อไปได้โดยไม่ต้องคิด         เนื่องจากสมองไม่จำเป็นต้องเฝ้าตรวจดูความสามารถในการทรงตัว แมลงจึงมีอิสระในการทำกิจกรรมขั้นสูงขึ้นต่อไป เช่น การตรวจว่าตัวเองอยู่ที่ไหนและกำหนดเส้นทางการวิ่ง ฟูลบอกว่า “หนวดที่อยู่บนหัวของมันจำเป็นแค่สำหรับการ สั่งงานทั่วไปเท่านั้น ไม่จำเป็นต้องพูดคุยกับบรรดาขาของมันเลย” จากข้อสรุปนี้ ฟูลสร้างทีมงานใหม่ขึ้นมาโดยร่วมมือกับศูนย์วิจัยและออกแบบมหาวิทยาลัยสแตนด์ฟอร์ด เพื่อสร้างหุ่นยนต์หกขาที่คลานไปกับพื้น มีหนวดเสาอากาศตรวจวัดข้อมูลและระบบคำนวณเส้นทางการเดินอย่างง่ายติดตั้งอยู่ด้วย ในที่สุดก็ได้หุ่นยนต์ที่มีชื่อว่า เอเรียล รูปร่างคล้ายปูสร้างขึ้นด้วยความร่วมมือของไอโรบอต แมสซาชูเซ็ตต์ เอเรียลนั้นมีหกขา สะเทินน้ำสะเทินบก เป็นหุ่นยนต์ตัวแรกที่สามารถทรงตัวอยู่ได้ในที่ตื้นแถวชายหาด และมีคลื่นซัดเข้าหา ถ้ามันโดนคลื่นซัดหงายท้อง ขาของมันก็จะสามารถหมุนปรับตำแหน่งทำให้ด้านบนของมันกลายเป็นด้านล่าง ซึ่งทำให้เอเรียลเดินต่อไปได้ทั้งๆ ที่หงายท้อง และสำนักงานวิจัยแห่งกองทัพเรือก็ให้เงินทุนสนับสนุนงานวิจัยแก่ฟูลด้วยความกระตือรือร้นเป็นอย่างมาก ซึ่งงานวิจัยในขณะนี้ก็คือ การออกแบบปรับปรุงให้เอเรียลทำงานได้หลายๆ อย่างเช่น การค้นหาทุ่นระเบิดใต้น้ำ         ฟูลย้ำว่า งานออกแบบของเขาไม่ใช่การจำลองแบบจากธรรมชาติ มันเป็นเพียงแค่การได้รับแรงบันดาลใจจาก ธรรมชาติเท่านั้น เขาบอกว่า “การคัดเลือกโดยธรรมชาตินั้นไม่สามารถสร้างระบบที่เหมาะสมได้” ขาของจริงและหน้าที่การ ทำงานของมันนั้นเกิดมาจากกระบวนการพัฒนา ซึ่งมันต้องเติบโตและเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา และด้วยความจริงที่ว่ามันต้องทำหน้าที่ได้หลายอย่าง เขากล่าวอีกว่า “การคัดเลือกตามธรรมชาติไม่ใช่งานทางวิศวกรรม มันเกิดขึ้นมาจากสิ่งที่คุณมี” เงื่อนไขในการออกแบบเอเรียลก็คือ บรรดาข้อต่อของมันนั้นเคลื่อนไหวได้แค่สองระดับก็พอ ไม่จำเป็นต้องเคลื่อนไหวได้มากมายหลายแบบจนนับไม่ได้ เหมือนกับที่พบในปูจริงๆ ฟูลกล่าวว่า “ปูนั้นมีการต่อสู้กัน จับคู่กัน ขึ้นขี่เพื่อผสมพันธุ์กัน เราไม่จำเป็นต้องใส่คุณสมบัติเหล่านี้ลงไปหรอก หุ่นยนต์คงไม่ต้องการที่จะขยายพันธุ์หรอกนะ”         ในตอนนี้ ฟูลกำลังคิดถึงเรื่องการออกไปนอกโลก เป็นเวลาหลายปีแล้วที่เขาพยายามบอกบรรดานักสร้างยานสำรวจที่นาซาเกี่ยวกับความผิดพลาดของแนวทางของพวกเขา ฟูลกล่าวว่า ยานสำรวจที่ใช้ล้อนั้นเชื่องช้า ทรงตัวไม่ดี และเคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวดินที่เต็มไปด้วยหินได้อย่างฉิวเฉียด ทุลักทุเล สักวันหนึ่งหุ่นยนต์เร็กซ์อาจมีโอกาสลงสำรวจบนดาวอังคาร (เมื่อนาซาได้ดูภาพวิดีโอหุ่นยนต์เร็กซ์ปีนป่ายลงจากเนิน เขาที่เต็มไปด้วยก้อนหิน ซึ่งฟูลได้เติมสีภาพเนินเขาให้เป็นสีส้มเพื่อให้คล้าย กับสภาพบนดาวอังคาร) ย้อนกลับไปในเดือนมกราคมปี 2547 เมื่อยานสำรวจดาวอังคารติดอยู่กับแท่นจอดยาน ฟูล ช่วยเหลืออะไรไม่ได้ ได้แต่หัวเราะเบาๆ ยานสำรวจที่ติดล้อนั้นเคลื่อนที่ได้อย่างช้าๆ ฟูลกล่าวว่า “เรายังคงพยายามนำเสนอให้พวกเขาเห็นว่า ขานั้นคือหนทางที่ดีที่สุดในการใช้ก้าวเดินไปข้างหน้า” แปลและเรียบเรียงจาก The Biomechanics of...Cockroaches : Building the Perfect Pest, Discover, July 2004                                                โดย... สันติพงษ์ ปิตตุภักดิ์ พบกับเรื่องนี้ได้ที่ : http://update.se-ed.com/211/6legs-robot.htm กลับไปหน้าบทความ/สารคดี   UpDATE นิตยสารรายเดือน ราคาฉบับละ 60 บาท http://update.se-ed.com อัตราสมาชิก 12 ฉบับ 720 บาท จัดพิมพ์โดย บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด(มหาชน) อาคารเนชั่นทาวเวอร์ ชั้น 19 เลขที่ 46/87-90 ถ.บางนา-ตราด แขวงบางนา เขตบางนา กรุงเทพฯ 10260 โทร.0 2739 8111 โทรสาร 0 2751 5059 E-mail : update@se-ed.com