หุ่นยนต์เลียนแบบสิ่งมีชีวิต

หุ่นยนต์เลียนแบบสิ่งมีชีวิต

      เมื่อสัปดาห์ที่แล้วผมได้รับเชิญไปบรรยายแก่เยาวชนที่บ้านวิทยาศาสตร์ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ในโครงการ “อัจฉริยะธรรมชาติ” โดยผู้จัดให้ผมเล่าเกี่ยวกับการออกแบบและพัฒนาระบบหุ่นยนต์ที่เลียนแบบมาจากสิ่งที่มีชีวิต (Biologically Inspired Robotics) ที่ผ่านมาตลอดระยะเวลา 50 ปี ของช่วงชีวิตหุ่นยนต์บนโลกเรานี้ นักวิจัยด้านหุ่นยนต์ทั่วโลกแบ่งออกเป็นสองค่าย ค่ายแรกเชื่อว่าสิ่งที่มีชีวิตเป็นประติมากรรมชั้นเยี่ยมจากธรรมชาติ และธรรมชาติออกแบบมาอย่างดีแล้ว ดังนั้นเราจึงได้เห็น มือหุ่นยนต์ที่มีห้านิ้วคล้ายมือมนุษย์ ในขณะที่คีบจับงานอุตสาหกรรมต้องการเพียงสามนิ้วก็เพียงพอในการจับชิ้นงานได้อย่างมั่นคง หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์จากบริษัทฮอนด้า บริษัทโซนี และอื่นๆ คือตัวอย่างผลงานของนักวิจัยในค่ายแรก ส่วนค่ายที่สอง นักวิจัยครุ่นคิดการออกแบบเชิงวิศวกรรมให้ระบบมีขีดความสามารถและสมรรถนะให้สูงกว่าสิ่งที่มีชีวิต เครื่องบินไอพ่นไม่มีปีกที่กระพือเช่นนกแต่บินพุ่งไปข้างหน้าได้รวดเร็วกว่านกชนิดใดๆ เครื่องล้างจานไม่ได้ถูกออกแบบให้มีมือและแขนหุ่นยนต์เพื่อเลียนแบบการล้างจานของมนุษย์เลย

ทั้งสองค่ายมีส่วนถูกต้องด้วยกันทั้งนั้น หากน้องๆศึกษาต่อในแนวทางของค่ายใดแล้วมีข้อมูลที่เป็นประโยชน์โปรดกลับมาสอนให้ความรู้ผมบ้าง อย่างไรก็ตามในปัจจุบัน สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) ทำงานทั้งสองด้าน กล่าวคือ ฟีโบ้มีทีมงานวิจัยพื้นฐานเพื่อค้นคว้าเทคโนโลยีหุ่นยนต์ในอนาคตซึ่งค่อนข้างเอียงมาทางค่ายแรก ในขณะที่ทีมงานอุตสาหกกรมที่ออกแบบระบบอัตโนมัติสำหรับใช้งานจริงๆในโรงงานจะอยู่ในค่ายที่สองครับ

        สาขาที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับค่ายแรกคือ วิศวกรรมชีวภาพ (BioEngineering) เป็นศาสตร์ที่ใช้ทฏษฎีมาวิเคราะห์ปรากฎการณ์ของโลกสิ่งที่มีชีวิต แล้วนำผลวิเคราะห์กลับมาออกแบบระบบทางวิศวกรรม อาทิเช่น ความเข้าใจเกี่ยวกับแรงตึงผิว (Surface Tension) ที่สร้างขึ้นที่ขาของ “จิงโจ้น้ำ” ทำให้วิศวกรสามารถสร้าง “หุ่นยนต์แมลง” ตัวจิ๋ว วิ่งเล่นสเก็ตผิวน้ำ ในงานสำรวจคุณภาพน้ำกักขังตามหนองและบึงต่างทั่วไป ถ้าเป็นหุ่นยนต์แมลงขนาดใหญ่ก็มี “Ambler” หุ่นยนต์แมงมุมหนักเกือบสองตัน และ “Dante” หุ่นยนต์เดินคล้ายปูใช้สำรวจภูเขาไฟขั้วโลกใต้ หุ่นยนต์สองตัวนี้เป็นผลงานของมหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอนครับ

การปฏิบัติงานหรือมีความเสี่ยงภัยต่อมนุษย์ในระดับสูงจนมนุษย์ และหุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั่วไปไม่สามารถทำงานได้ งานลักษณะดังกล่าวได้แก่ งานในการสำรวจต่างๆ เช่น งานสำรวจทางทะเล งานสำรวจอวกาศ งานกู้ภัย “ตึกถล่ม” เหตุการณ์เพลิงไหม้รุนแรง หรือแม้กระทั่งการใช้หุ่นยนต์ในโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ เป็นต้น งานประเภทนี้ต้องการหุ่นยนต์รุ่นพิเศษที่เลียนแบบการเคลื่อนที่ของสัตว์เลื้อยคลานแบบ S-Curve เช่น งู ศูนย์วิจัยหุ่นยนต์ทั่วโลกจึงได้เร่งศึกษาและสร้างต้นแบบหุ่นยนต์งู (Serpentine Robot) ขึ้นมา ผู้นำงานวิจัยด้านนี้คือศาสตราจารย์ ชิเกโอะ ฮิโรเซะ แห่งสถาบันเทคโนโลยีแห่งโตเกียว สำหรับประเทศไทยเรา สามหน่วยงานสำคัญที่สนับสนุนงานวิจัยคือ มูลนิธิโทเรเพื่อการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ประเทศไทย สภาวิจัยแห่งชาติและสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติได้ให้การสนับสนุนงานวิจัยพื้นฐานเรื่องนี้แก่สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม (ฟีโบ้) โดยมีคุณภาคภูมิ วิริยะเจริญสุนทร เป็นนักวิจัยของโครงการ ต่อมาคุณบุญเลิศ มณีฉายนักวิจัยอีกท่านหนึ่งได้ออกแบบหุ่นยนต์เคลื่อนที่คล้ายหนอนสามารถมุดเข้าไปสำรวจท่อที่สลับซับซ้อนได้

        หุ่นยนต์งูมีลักษณะทางกลแบบ “มัลติจอยท์” จึงเหมาะสมกับการใช้งานในลักษณะดังกล่าว เนื่องจากมีจำนวนองศาอิสระ (degree of freedom) มากกว่าหุ่นยนต์อุตสาหกรรมทั่วไป บางครั้งถูกเรียกว่า Redundant robots โดยลำตัวหุ่นยนต์นี้ถูกออกแบบให้เป็นปล้องๆ แต่ละปล้องเชื่อมต่อกันด้วยข้อต่อ ซึ่งข้อต่อแต่ละข้อถูกออกแบบเป็นพิเศษ ให้ข้อต่อหนึ่งข้อมีสององศาอิสระ คือ สามารถเคลื่อนที่ ขึ้น – ลง และ ซ้าย – ขวา คุณสมบัติทางกลและรูปแบบเรขาคณิต หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่หลบหลีกสิ่งกีดขวางได้เป็นอย่างดี ในต่างประเทศมีการศึกษาเรื่อง Redundant robots กันมานานแล้ว ตัวอย่างของงานวิจัยที่เกี่ยวกับ Redundant robots นั้น ได้แก่ MELARM สร้างโดยห้องปฏิบัติการวิศวกรรมเครื่องกล ของกระทรวงการค้าและอุตสาหกรรมระหว่างประเทศ (MITI) ประเทศญี่ปุ่น MELARM เป็นหุ่นยนต์ที่มีสองแขน แต่ละแขนมีเจ็ดองศาอิสระ สร้างขึ้นเพื่อใช้ในการทดลองเกี่ยวกับเรื่อง การควบคุมแบบ master – slave หุ่นยนต์ Self Approach system สร้างโดย บริษัทโตชิบาที่ญี่ปุ่น เป็นหุ่นยนต์ที่มี 17 องศาอิสระ มีลักษณะคล้ายคลึงงูมากที่สุด สร้างขึ้นเพื่อใช้ในการตรวจสอบสภาพของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ และ UJIBOT เป็นหุ่นยนต์ที่พัฒนาจากมหาวิทยาลัยเกียวโต เป็นแขนกลซึ่งมีเจ็ดองศาอิสระ ทำการทดลองเกี่ยวกับเรื่องการหลบหลีกสิ่งกีดขวาง

งานวิจัยหุ่นยนต์งูของฟีโบ้ใช้ประโยชน์จากทฤษฎี Active Cord Mechanism เพื่อคำนวณหาแรงลัพท์แนวสัมผัสกับลำตัวหุ่นยนต์ (Tangential Forces) จากการที่ด้านล่างเป็นล้ออิสระที่มิได้ต่อกับมอเตอร์ใดๆและการติดตั้งไม่ยอมให้เกิดการเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉาก (Radial Forces) หุ่นยนต์งูนี้จึงเคลื่อนที่ไปด้านหน้าหลังได้เท่านั้น เราได้ประยุกต์ใช้หลักการพลศาสตร์ของศาสตราจารย์โทมัส เคน แห่งมหาลัยสแตนฟอร์ด เพื่อหาโมเดลการเคลื่อนที่ทางคณิตศาสตร์และการใส่แรงกระตุ้น (Perturbing Bias) จนทำให้หุ่นยนต์สามารถเลื้อยเลี้ยวไปมาได้เช่นเดียวกันงูจริงๆ โปรดแวะเยียมชมวิดิโอผลการทดลองจากเวปไซด์ฟีโบ้ https://www.fibo.kmutt.ac.th มีรายละเอียดเกี่ยวกับปัญญาประดิษฐ์และสมการศักยภาพ (Potential Function) งานประยุกต์ที่สำคัญของหุ่นยนต์งูอีกเรื่องหนึ่งคือเป็นอุปกรณ์ที่ทำงานคล้ายกับเอ็นโดสโคปเพื่อเลื้อยเข้าไปตัดมะเร็งในลำไส้ใหญ่ของมนุษย์ครับ

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th

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 การใช้งานเทคโนโลยีอัตโนมัติชั้นสูงและการจัดการเทคโนโลยีสารสนเทศอย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ดร.ชิต ยังผู้รับผิดชอบโครงการ Hard Disk Cluster ของสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติในการประสานงานนักวิชาการจากมหาวิทยาลัยต่างๆกับ มืออาชีพจากบริษัทชั้นนำในอุตสาหกรรมฮาร์ดดิสค์เพื่องานวิจัยและพัฒนา การอบรมบุคลากรตลอดจนการพัฒนาห่วงโซ่อุปทานจนเกิดบริษัทคนไทยที่มีความแข็งแกร่งทางเทคโนโลยีสามารถทำธุรกิจร่วมกับบริษัทข้ามชาติได้

Dr. Laowattana’s research interest is primarily in fundamental areas of robotic dexterity, design for manufacturing / assembly of high precision systems. He was awarded an honor with his B.Eng. from King Mongkut’s University of Technology Thonburi (KMUTT). Under the Monbusho Program, he received a certificate in Precision Mechanics and Robotics at Kyoto University. He subsequently obtained his PhD. in 1994 from Carnegie Mellon University, USA under financial support from the Fulbright Fellowship Program and the AT&T Advanced Research Program. In 1996, he also received a certificate in Management of Technology from Massachusetts Institute of Technology (MIT) USA. He holds two US patents for robotic devices. He is the founding director of the Institute of Field Robotics Development (FIBO) and the first President of Thai Robotics Society (TRS). He served as an executive board member of TOT, the largest telecom public company. Presently, he is director of Hard disk Cluster Program at National Science and Technology Development Agency (NSTDA). His responsibility is to strengthen hard disk industry in Thailand by formulating critical collaborative networks in the areas of R&D, HRD and Supply Chain Development among professionals from 30 national universities/laboratories and four multi-national companies, producing one of the highest annual turnover of 500 billions baht.