วิทยาการด้านการเคลื่อนที่ในหุ่นยนต์นังแจ๋ว

วิทยาการด้านการเคลื่อนที่ในหุ่นยนต์นังแจ๋ว

เมื่อหุ่นยนต์สามารถปฏิสัมพันธ์กับมนุษย์ดังที่ผมได้กล่าวถึงไปเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว วันนี้ขอนำท่านผู้อ่านสู่วิทยาการที่สองด้านการเคลื่อนที่ (Locomotion) ครับ: เมื่อหุ่นยนต์นังแจ๋วเข้าใจจากคำสั่งเพื่อนผมแล้วว่าไม่ต้องมายุ่มย่ามกับกระเป๋าของผม ก็ถอยจากไป เพื่อนจึงออกคำสั่งเพิ่มเติม “แจ๋วช่วยไปประตูรั้วบ้านด้วย รีบหน่อยนะเดี๋ยวหมาจะเข้ามาคุ้ยขยะ เบื่อที่ต้องมาเก็บขยะซ้ำๆ” ผมค่อนข้างทึ่งเมื่อเห็นหุ่นยนต์รับใช้ตัวนี้กลับหันหลังวิ่งเยาะๆลงบันได 3-4 ขั้น หน้าบ้านอย่างคล่องแคล่วเหมือนเด็กๆวิ่งเล่นกัน เมื่อปิดประตูเลื่อนที่รั้วหน้าบ้าน จึงหันหน้าเดินกลับมา

ทุกวันนี้ฮิวแมนนอยด์เช่น “อาซิโม” สามารถขึ้นลงบันไดและวิ่งได้บนพื้นราบ แต่จะให้วิ่งลงบันไดแบบจินตนาการข้างต้นนั้น ยังทำไม่ได้ครับ อาซิโมได้เรียนรู้การเดินและวิ่งแบบพลศาสตร์ (Dynamics) ซึ่งใกล้เคียงกับการเดินมนุษย์มากโดยใช้เทคนิคการการคำนวณหาตำแหน่งโมเมนต์ที่มีค่าเท่ากับศูนย์ (Zero Moment Point) เพื่อป้องกันมิให้เกิดโมเมนต์ส่วนเกินทำให้หุ่นยนต์ล้มลง การเคลื่อนที่แบบพลศาสตร์นี้ยังช่วยประหยัดพลังงาน หุ่นยนต์ “ส้มจุก” สร้างขึ้นที่สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) นั้น ในขั้นต้นเราทดลองแบบสถิตศาสตร์คือรักษาสมดุลอยู่ตลอดเวลา ปรากฏว่ามอเตอร์ที่ต้องรักษาแรงบิดให้สมดุลกับน้ำหนักหุ่นยนต์เกิดไหม้ไปหลายตัว เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าเข้าไปมากเกินไปเป็นเวลานานๆ
       อย่างไรก็ตาม แม้หุ่นยนต์เดินแบบพลศาสตร์ได้แล้ว การที่ต้องติดมอเตอร์อยู่ทุกข้อต่อของอาซิโม ก็ยังทำให้อาซิโมต้องการพลังงานอย่างมหาศาลอยู่ดี หากต้องการให้อาซิโมเป็นพนักงานเสิร์ฟในงานปาร์ตี้ เทคโนโลยีของแบตเตอรี่ปัจจุบันมีอายุทำงานเพียง 30 นาที ต้องกลับไปชาร์จใหม่ก่อนที่งานปาร์ตี้จะสิ้นสุดลง กลุ่มนักวิจัยด้านนี้จึงจำเป็นต้องค้นหาวิธีการเคลื่อนที่ใหม่ เราจึงเห็นหุ่นยนต์เดินสองขาบางรุ่นออกมาไม่เหมือนอาซิโม แต่จะมีลักษณะเก้งก้างเหวี่ยงขาไปมาเหมือนกับตุ้มนาฬิกา ไม่ต้องยุ่งยากและระมัดระวังกับการปรับแต่งสันญาณไฟฟ้าที่เข้ามาที่มอเตอร์ การใช้พลังงานมีประสิทธิภาพสูงสุด

งานวิจัยแขนงนี้ยังอยู่ในขั้นเริ่มต้น หุ่นยนต์ที่สร้างขึ้นมาจากแนวความคิดนี้ยังเดินเตาะแตะอยู่ นายแอนดี้ รูอินา วิศวกรของมหาวิทยาลัยคอลแนลวิจารณ์หุ่นยนต์ที่กลุ่มวิจัยเขาสร้างขึ้นมาว่า หุ่นยนต์ทำได้เพียงประการเดียวคือเดินเป็นเส้นตรงเท่านั้น จะให้ลุกขึ้นยืนเองยังไม่ได้เลยครับ

ดังนั้นก่อนที่เราจะมีหุ่นยนต์นังแจ๋วทำงานบ้านอย่างรวดเร็วขยันขันแข็งเสร็จสิ้นโดยไม่ต้องวิ่งเข้าหาปลั๊กไฟอยู่บ่อยๆเพื่อรีชาร์จได้นั้น นักวิจัยจึงจำเป็นต้องหาจุดสมดุลระหว่างการเคลื่อนที่แบบเสถียรและการประหยัดพลังงาน งานวิจัยพัฒนาในปัจจุบันจึงมุ่งไปทางด้านวัสดุศาสตร์ที่ทำหน้าที่คล้ายกล้ามเนื้อมนุษย์สามารถยืดหดโดยอาศัยการกระตุ้นจากกระแสไฟฟ้าหรือลำแสงเลเซอร์ พลังงานรวมที่ใช้ในการเคลื่อนที่นั้นน้อยกว่าการใช้มอเตอร์แบบปัจจุบัน

นาย กิลล์ แพรตต์ ผู้อยู่เบื้องหลังโครงการกล้ามเนื้อเทียม ได้รับแรงจูงใจเรื่องหุ่นยนต์นังแจ๋ว ตั้งแต่วัยเด็กเมื่อโดนพ่อแม่ใช้ให้ทำความสะอาดห้องส่วนตัวเขาให้เรียบร้อย แพรตต์ชมชอบอ่านนวนิยายของไอแซค อาซิมอป ตัวละครประจำใจคือ ไจแกนเตอร์ แพรตต์ อยากมีหุ่นยนต์ทำงานแทนตนเอง สามสิบปีต่อมาในปี ค.ศ. 1993 แพรตต์ประสบความสำเร็จในการพัฒนามอเตอร์แบบใหม่เรียกว่า Elastic Actuator เป็นการติดตั้งสปริงเพิ่มเติมเข้าไปในมอเตอร์ไฟฟ้ามาตรฐาน การดัดแปลงนี้ช่วยให้ประสิทธิภาพด้านการใช้พลังงานของมอเตอร์ดีขึ้น

แพรตต์ได้ทดลองใช้มอเตอร์นี้ในโครงการ M2: หุ่นยนต์เดินสองขาซึ่งเขาเป็นผู้ออกแบบและสร้างขึ้นในขณะที่เขาดำรงตำแหน่งเป็นผู้อำนวยการของ MIT’s Leg Lab เมื่อแพรตต์ย้ายไปทำงานที่วิทยาลัยด้านวิศวกรรมแห่งใหม่ที่เมืองนีดแฮม ในปี 2001 หุ่นยนต์ M2 ได้ติดตามเขาไปด้วย ในขณะที่ M2 เดินได้อย่างประหยัดพลังงานสูงสุดนั้นระดับเสถียรภาพจะลดลงจนเกือบไม่เสถียร

จึงอาจกล่าวได้ว่า M2 เป็นหุ่นยนต์ตัวแรกที่ยึดทางสายกลางระหว่างเดินให้เสถียรและใช้พลังงานต่ำสุดครับ

แพรตต์หวังว่า M2 รุ่นสองจะสามารถปรากฏต่อสายตาสาธารณะชนในปลายปีนี้ แพรตต์ปฎิเสธที่จะให้ความเห็นผลงานวิจัย M2 ของเขาจะนำมาซึ่งการประดิษฐ์หุ่นยนต์นังแจ๋วหรือไม่? แต่เขามั่นใจว่าความก้าวหน้าวิทยาการปัจจุบันจะทำให้เราพัฒนาหุ่นยนต์ยุคใหม่ที่สามารถทำงานได้หลายอย่างๆ ช่วยให้มนุษย์มีเวลามากขึ้นกับครอบครัวแทนที่จะต้องไปเสียเวลาทำงานบ้านที่น่าเบื่อหน่าย

ผ่านมาสี่สิบปีมนุษย์ประสบความสำเร็จในการสร้างหุ่นยนต์มาช่วยทำงานที่อันตรายและงานที่ต้องการความละเอียดมากๆในโรงงานอุตสาหกรรม เรามาคอยดูสิว่าภายในสิบปีอีกต่อไปนี้งานท้าทายสร้างหุ่นยนต์นังแจ๋วมาทำงานแทนเราที่บ้านจะสำเร็จหรือไม่?
 

——————————————————————————————
ข้อมูลจำเพาะของผู้เขียน

ดร. ชิต เหล่าวัฒนา จบปริญญาตรีวิศวกรรมศาสตร์ (เกียรตินิยม) จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี ไดัรับทุนมอนบูโช รัฐบาลญี่ปุ่นไปศึกษาและทำวิจัยด้านหุ่นยนต์ที่มหาวิทยาลัยเกียวโต ประเทศญี่ปุ่น เข้าศึกษาต่อระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน สหรัฐอเมริกา ด้วยทุนฟุลไบรท์ และจากบริษัท AT&T ได้รับประกาศนียบัตรด้านการจัดการเทคโนโลยีจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งมลรัฐแมสซาชูเซสต์ (เอ็มไอที) สหรัฐอเมริกา

 
ภายหลังจบการศึกษา ดร. ชิต ได้กลับมาเป็นอาจารย์สอนที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี และเป็นผู้ก่อตั้งสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม หรือที่คนทั่วไปรู้จักในนาม “ฟีโบ้ (FIBO)” เป็นหน่วยงานหนึ่งในมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า ธนบุรี เพื่อทำงานวิจัยพื้นฐาน และประยุกต์ด้านเทคโนโลยีหุ่นยนต์ ตลอดจนให้คำปรึกษาหน่วยงานรัฐบาล เอกชน และบริษัทข้ามชาติ (Multi-national companies) ในประเทศไทยด้านการลงทุนทางเทคโนโลยี  การใช้งานเทคโนโลยีอัตโนมัติชั้นสูง และการจัดการเทคโนโลยีสารสนเทศอย่างมีประสิทธิภาพ