จากมด...เทพนิทานกริมม์...สู่การนำร่องหุ่นยนต์จิ๋ว

จากลักษณะของ "มด" และเทพนิทาน "แฮนเซลและเกรเทล" ของสองพี่น้องตระกูลกริมม์ สู่การวิจัยและพัฒนาหุ่นยนต์อัตโนมัติขนาดเล็กโดรนจิ๋ว "CrazyFlie"

วันที่ 17 กรกฎาคม ค.ศ. 2024 คณะนักวิจัยและพัฒนาที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์ (Delft University of Technology) ประเทศเนเธอร์แลนด์ ตีพิมพ์ในวารสาร Science Robotics ผลงานการวิจัยและพัฒนาระบบนำร่องหุ่นยนต์ขนาดเล็ก โดยได้รับแรงบันดาลใจจากวิธีการที่มดใช้ในการเดินทางไกลและซับซ้อนจากรัง แต่ก็ยังสามารถเดินทางกลับรังได้โดยไม่หลง ซึ่งก็ไปเกี่ยวโยงต่อเนื่องกับ เทพนิทานเรื่องหนึ่งของสองพี่น้องตระกูลกริมม์ (Brothers Grimm)

"เชื่อ คิดและทำ อย่างวิทยาศาสตร์" วันนี้ ขอนำท่านผู้อ่านไปส่องจับพัฒนาการระบบนำร่องของคณะนักวิจัยเนเธอร์แลนด์ สำหรับหุ่นยนต์ขนาดเล็กในรูปของ 'โดรนจิ๋ว' ไปส่องว่า คณะนักวิจัยได้แรงบันดาลใจแบบไหนจากมด และไปดูส่วนเกี่ยวข้องกับเทพนิทานของสองพี่น้องตระกูลกริมม์ว่า เป็นเรื่องไหน? อย่างไร? ที่สำคัญแล้วพัฒนาการระบบนำร่องใหม่นี้ จะใช้ให้เป็นประโยชน์จริง ๆ อย่างไร? เมื่อไร?

ระบบนำร่องหุ่นยนต์ ยิ่งเล็ก ยิ่งยาก! :

ความจริงที่น่าพิศวง!

ระบบนำร่องสำหรับระบบอัตโนมัติดังเช่นหุ่นยนต์ชนิดต่าง ๆ ขนาดยิ่งใหญ่...ยิ่งง่าย

ในทางตรงกันข้าม ขนาดยิ่งเล็ก...ยิ่งยาก

ระบบอัตโนมัติยุคใหม่ขนาดใหญ่ ดังเช่น รถยนต์ไร้คนขับที่กำลัง 'ออกทดลองวิ่ง' ในนครหรือเมืองใหญ่ในสหรัฐอเมริกาและยุโรป ปัญหาใหญ่มิใช่การนำร่อง เพราะมีเทคโนโลยียุคใหม่มากมายช่วยในการนำร่อง ไม่ว่าจะเป็นระบบดาวเทียมจีพีเอส (GPS) เซนเซอร์สภาพแวดล้อม ที่ทำงานเชื่อมต่อกับสภาพกายภาพของถนน อาคาร แลนด์มาร์ก (เช่น สวนสาธารณะ) แบบ 'เวลาจริง' (real-time) ทั้งหมดควบคุมโดยคอมพิวเตอร์ระดับเอไอ (AI) ในรถ

ปัญหาใหญ่จริงๆ ดังเช่น กรณีรถยนต์ไร้คนขับก็คือ สภาพและความเคลื่อนไหวที่ควบคุมไม่ได้ ดังเช่น พฤติกรรมการขับขี่รถคันอื่นๆ (ส่วนใหญ่) บนท้องถนนที่ไม่มีวินัย หรือคนเดินถนน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเดินข้ามถนน

อีกตัวอย่างหนึ่งของระบบอัตโนมัติขนาดใหญ่ ถึงแม้จะ 'ไม่ใหญ่' หรือ 'ซับซ้อน' เท่ากรณีของรถยนต์ไร้คนขับ คือ โดรน (drone) หรือยานบินไร้คนขับ ซึ่งได้รับการพัฒนาและก้าวหน้ามาอย่างมาก จากทั้งเทคโนโลยีการบินและระบบการนำร่อง ทำให้โดรนในปัจจุบัน กำลังถูกใช้งานมากมายในกิจกรรมและกิจการต่างๆ เช่น การเฝ้าระวังและรักษาความปลอดภัย การสื่อสารมวลชน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โทรทัศน์ การขนส่งยาและเวชภัณฑ์ที่เร่งด่วน การเกิดภัยพิบัติน้ำท่วม และไฟไหม้ป่า

รวมถึงการใช้งานเชิงปฏิบัติที่ไม่พึงประสงค์ แต่ก็กำลังเกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในระดับใหญ่ คือ การใช้โดรนเป็นอาวุธในการสงครามระหว่างรัสเซียกับยูเครน ที่เริ่มมาตั้งแต่เดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 2022

โดรนขนาดใหญ่เหล่านี้ มีระบบนำร่องที่ทันสมัย แต่ไม่ซับซ้อนเท่าระบบนำร่องที่ใช้จริงๆ กับเครื่องบิน เพราะโดรนแต่ละชนิดถูกกำหนดหน้าที่เป้าหมายชัดเจนไม่กี่อย่าง เช่น โดรนลาดตระเวน โดรนสอดแนม โดรนกามิกาเซ่ ซึ่งก็คือระเบิดบินควบคุมโดยคอมพิวเตอร์กับระบบดาวเทียมจีพีเอส

แล้วระบบอัตโนมัติขนาดเล็กล่ะ?

ระบบนำร่องยิ่งเล็กยิ่งยาก...ทำไม? :

คำตอบตรง ๆ คือ ระบบนำร่องที่มีขนาดเล็ก ก็ยิ่งมีขีดความสามารถในการทำงานน้อยลงไปด้วย แต่ขีดจำกัดนี้ ก็สร้างความท้าทาย ดังเช่นแก่คณะนักวิจัยเนเธอร์แลนด์ ที่ต้องการจะพัฒนาระบบนำร่องสำหรับหุ่นยนต์ขนาดเล็ก ทั้งหุ่นยนต์บนพื้นดินและในอากาศ ซึ่งก็คือโดรนขนาดเล็ก

สำหรับหุ่นยนต์อัตโนมัติขนาดเล็กบนพื้นดิน (ซึ่งมิได้ถูกควบคุมการเคลื่อนไหวทางสายหรือวิทยุ) ก็จะมีระบบติดอยู่กับหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่ได้อย่างจำกัดในพิสัยและทิศทาง

หุ่นยนต์อัตโนมัติบินได้ดังเช่นโดรนขนาดเล็กก็เช่นเดียวกัน ถ้าไม่ติดระบบการควบคุมการบินด้านสัญญาณวิทยุแบบรีโมตคอนโทรล ก็จะบินได้ในสภาพและพื้นที่จำกัดมาก

ระบบจีพีเอสก็มีขีดจำกัดสำหรับการใช้งานในพื้นที่จำกัดและซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ภายในอาคารใหญ่ ดังเช่น โรงงานหรือคลังเก็บสินค้า เพราะสัญญาณ (วิทยุ) ของจีพีเอสไม่สามารถทะลุผ่านกำแพงหรือผนังของอาคารได้

แม้แต่ในพื้นที่โล่งแจ้ง ดังเช่น ในเมือง ระบบจีพีเอสก็ทำงานได้ไม่แม่นยำเท่าในชนบท เพราะสภาพพื้นที่และสิ่งกีดขวางในเมือง ซึ่งไม่เป็นระเบียบเต็มที่ ทำให้สัญญาณจีพีเอสระบุตำแหน่งและเส้นทางคลาดเคลื่อนได้ง่าย (เผลอ ๆ ก็นำทางรถยนต์ให้ตกคลองตกถนนในเมืองได้)

แรงบันดาลใจจากมด :

คณะนักวิจัยเนเธอร์แลนด์ได้แรงบันดาลใจอะไรจากมดและเทพนิทานกริมม์?

เริ่มต้นที่แรงบันดาลใจจากมด

โจทย์ของคณะนักวิจัยคือการพัฒนาระบบการนำร่องที่ใช้เทคโนโลยีการนำร่องจำกัดที่สุดสำหรับหุ่นยนต์อัตโนมัติขนาดเล็ก

คณะนักวิจัยได้ศึกษาวิธีการนำร่องของมดด้วยการตั้งข้อสังเกตว่า มดตัวเล็กๆ สามารถเดินทางไกลและซับซ้อนจากรัง แล้วก็ยังสามารถเดินทางกลับรังได้อย่างไร?

ผลจากการศึกษา คณะนักวิจัยสรุปผลออกมาว่า มดใช้วิธีการ 2 อย่างผสมผสานกัน คือ :

หนึ่ง : การสังเกตหรือบันทึกระยะทางแบบเดียวกับที่เครื่องโอดอมิเตอร์ (odometer) ของรถยนต์บันทึกระยะทางที่รถได้เคลื่อนที่ โดยบันทึกจากจำนวนรอบที่ล้อรถยนต์หมุนไปตามถนน ผู้ขับขี่รถยนต์ก็เห็นได้จากหน้าปัดมาตรระยะทางของรถยนต์ว่ารถได้เดินทางมาแล้วเป็นระยะทางกี่กิโลเมตร

คณะนักวิจัยอธิบายว่า สำหรับมด อย่างตรง ๆ มดใช้วิธี 'นับก้าว' ที่มดเดิน!

อย่างแน่นอน มดไม่มีเครื่องโอดอมิเตอร์ แต่ 'ธรรมชาติ' ดูจะสอน...หรือมดได้เรียนรู้จากวิวัฒนาการ...วิธีเปรียบเหมือนกับการทำงานของเครื่องโอดอมิเตอร์ โดยใช้ 'ขา' แทน 'ล้อ' รถยนต์

แต่ลำพังการ 'รู้' ระยะทางย่อมไม่เป็นหลักประกันนำทางให้มดสามารถเดินทางย้อนรอยเพื่อกลับรังได้ เพราะระยะทางจากจำนวนก้าวที่มดเดินสามารถจะเป็นทางไหนก็ได้ในรัศมีของระยะทาง มดจึงต้องอาศัยวิธีการส่วนที่สองช่วย

สอง : 'ภาพจำ' ของสถานที่เพื่อบอกทางการเดินทางกลับรอยทางเดิม เป็นวิธีการใช้ 'ตา' เพื่อการสังเกตและบันทึกลักษณะพิเศษเฉพาะของตำแหน่งและสภาพแวดล้อมใกล้เคียง เพื่อที่จะไม่ 'หลงทาง' ตอนย้อนรอยเดินทางกลับ

บทเรียนจากเทพนิทานกริมม์ :

วิธีการ 2 อย่างที่มดใช้ในการเดินทางไกลและซับซ้อน ช่วยให้มดเดินทางกลับรังได้อย่างไร จะเห็นได้ชัดเจนขึ้นจากเทพนิทานของสองพี่น้องตระกูลกริมม์เรื่องหนึ่ง คือ แฮนเซลและเกรเทล (Hansel and Gretel)

สองพี่น้องตระกูลกริมม์ คือ เจค็อบ กริมม์ (Jacob Grimm : ค.ศ. 1785-1863) และ วิลเฮล์ม กริมม์ (Wilhelm Grimm : ค.ศ. 1786-1859) เป็นนักรวบรวมเทพนิทานและนิทานพื้นบ้านชาวเยอรมัน ผลงานที่รู้จักกันดีทั่วโลกมีมากมาย ดังเช่น สโนว์ไวท์, ซินเดอเรลลา, เจ้าชายกบ, หนูน้อยหมวกแดง ฯลฯ

เทพนิทานแฮนเซลและเกรเทล เป็นเรื่องของสองพี่น้อง แฮนเซล (พี่ชาย) กับ เกรเทล (น้องสาว) ถูกแม่เลี้ยงใจร้ายยุให้พ่อนำสองพี่น้องไปปล่อยทิ้งในป่า เพราะความยากจน แต่สองพี่น้องบังเอิญได้ยินที่แม่เลี้ยงกับพ่อคุยกัน แฮนเซลจึงแอบเก็บก้อนหินใส่กระเป๋าเอาไว้

วันต่อมา สองพี่น้องก็ถูกนำไปปล่อยในป่าไกลจากบ้าน แต่ระหว่างทางจากบ้าน แฮนเซลก็แอบทิ้งก้อนหินเป็นระยะ จึงแกะรอยตามก้อนหินกลับบ้านได้

ต่อมาอีก แฮนเซลกับเกรเทลก็ถูกนำไปปล่อยป่าอีก แต่คราวนี้แม่เลี้ยงให้ขนมปังก้อนหนึ่งแก่สองพี่น้อง

แฮนเซลก็แอบบิขนมปังเป็นชิ้นเล็กๆ ทิ้งตามทางจากบ้าน

ทว่า แผนครั้งที่สองของแม่เลี้ยงใจร้ายได้ผล สองพี่น้องไม่สามารถกลับบ้านได้ เพราะชิ้นขนมปังถูกนกจิกหรือสัตว์อื่น ๆ คาบไปกินหมด

สองพี่น้องจึงหลงอยู่ในป่า จนกระทั่งไปพบกระท่อมแม่มดทำด้วยขนมปัง, เค้ก และน้ำตาล สองพี่น้องจึงแทะกินกระท่อมแม่มดด้วยความหิวโหยและถูกแม่มดจับ

ต่อจากนั้น ก็เป็นเรื่องราวการต่อสู้ของสองพี่น้องเพื่อเอาตัวรอดจากแม่มด (ซึ่งในบางเรื่องของแฮนเซลกับเกรเทลที่ไม่ใช่ของสองพี่น้องกริมม์ แม่มดนั้น จริงๆ แล้ว ก็คือ แม่เลี้ยงใจร้ายของสองพี่น้อง)

แต่สำหรับเราแล้ว เทพนิทาน 'แฮนเซลและเกรเทล' ช่วยเป็นแรงบันดาลใจแก่คณะนักวิจัยเนเธอร์แลนด์อย่างไร?

คณะนักวิจัยกล่าวถึงเทพนิทานแฮนเซลและเกรเทลว่า ช่วยโยงให้เห็นวิธีการที่มดใช้ (ในธรรมชาติจริงๆ) ให้สามารถเดินทางไกลและซับซ้อนกลับรังได้อย่างชัดเจน

หัวใจสำคัญของบทเรียนจากแฮนเซลและเกรเทล คือ ในตอนแรกที่แฮนเซลใช้ก้อนหินเป็นเครื่องหมายสัญญาณนำทางกลับบ้านได้ ก็เพราะก้อนหินไม่หายไปไหน หรือหายไปบ้าง ก็จะไม่มาก

ครั้นเมื่อแฮนเซลต้องใช้ขนมปังแทนก้อนหิน ขนมปังก็หายไปหมด

ที่สำคัญ การใช้ก้อนหินโดยแฮนเซลในการทิ้งก้อนหินที่จะเป็นประโยชน์ต่อการเดินทางได้ ต้องเป็นการทิ้งก้อนหินเป็นระยะทางและตำแหน่งที่เหมาะสม มิใช่แบบสะเปะสะปะ

เพราะอย่างหนึ่ง แฮนเซลมีก้อนหินเป็นจำนวนจำกัด จึงต้องใช้ทิ้งให้ห่างกัน เป็นระยะทางห่างไกลจากกันให้มากที่สุด โดยยังเป็นประโยชน์ในการ 'นำทาง' ได้

และอย่างแน่นอน แฮนเซลมิได้นับก้าวสำหรับบอกระยะห่างระหว่างก้อนหิน

ดังนั้น สิ่งเดียวที่แฮนเซลใช้ และก็เป็นหลักใหญ่ที่คณะนักวิจัยนำไปใช้ ก็คือ ทิ้งก้อนหินให้ห่างกันมากที่สุด โดย 'ดู' จากสภาพแวดล้อมโดยรอบด้วย แทนการนับก้าวให้ 'จำทาง' ได้

จากมดและเทพนิทานกริมม์ สู่การนำร่อง 'โดรน' จิ๋ว :

มหาวิทยาลัยเดลฟ์ เป็นมหาวิทยาลัยรัฐใหญ่และเก่าแก่ที่สุดในเนเธอร์แลนด์ ก่อตั้งในปี ค.ศ.1842 มีแผนกวิจัยและพัฒนาโดรนที่แข็งขัน

โจทย์ของคณะนักวิจัยคือ การพัฒนาระบบนำร่องสำหรับโดรนขนาดเล็ก ที่ 'ง่ายที่สุด' 'ใช้คอมพิวเตอร์ที่เล็กและราคาถูก' แต่สามารถทำงาน 'เฉพาะกิจ' บางอย่างอย่างมีประสิทธิภาพ

คณะนักวิจัยเลือกที่จะทำงานพัฒนาระบบนำร่องที่ต้องการกับโดรนจิ๋วที่รู้จักกันดีทั่วโลก คือ โดรนจิ๋ว 'เครซีฟลาย' (CrazyFlie) ซึ่งเป็นเฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็ก 4 ใบพัดจากประเทศสวีเดน ขนาดโดยทั่วไปมีน้ำหนักเพียง 27 กรัม วางอยู่บนฝ่ามือได้ แต่น้ำหนักของโดรนจิ๋วอาจเพิ่มได้อีกบ้าง จากอุปกรณ์เครื่องมือเสริมพลังและการทำงาน

สำหรับผลการพัฒนาถึงล่าสุด เป็นโดรนจิ๋วเครซีฟลายติดกล้องเล็กเห็นได้รอบทิศทาง ติดคอมพิวเตอร์เล็กจิ๋วมีหน่วยความจำเพียง 0.65 กิโลไบต์ มีน้ำหนักรวมอุปกรณ์เสริมทั้งหมดเป็น 56 กรัม สามารถบินไปตามเส้นทางที่ซับซ้อนไกลที่สุดได้ 100 เมตร

แล้วบทเรียนจาก 'มด' และ 'เทพนิทานแฮนเซลและเกรเทล' ช่วยคณะนักวิจัยในการพัฒนาโดรนจิ๋วนี้อย่างไร?

อย่างตรงๆ ระบบนำร่องของโดรนจิ๋วขนาด 56 กรัมนี้ อาศัยบทเรียนจากแฮนเซลและเกรเทลเป็นสำคัญ โดยหินที่แฮนเซลทิ้งเป็นเครื่องหมาย จะต้องอยู่ห่างไกลจากก้อนที่แล้ว ให้มากที่สุด โดยที่แฮนเซลยัง 'จำ' สภาพแวดล้อมหรือเส้นทางจากก้อนหินก้อนหนึ่ง ไปหาก้อนถัดไป (ที่ใกล้บ้านเข้าไป) ได้ ทั้งนี้ เพื่อประหยัดก้อนหิน

สำหรับโดรนจิ๋ว จึง 'เก็บภาพ' รอยทางเป็นจำนวนจำกัด คือ ให้ห่างกันมากเท่าที่จำเป็น เพื่อที่คอมพิวเตอร์บนโดรน จะสามารถเก็บเป็น 'ภาพจำ' ได้เพียงพอที่จำเป็นเหมือนกับที่แฮนเซลต้องทิ้งก้อนหินให้ห่างกันมากพอ แต่ก็ยังเป็นหมุดหมายรอยทางได้ มิฉะนั้น (ถ้าเก็บเป็นภาพจำมากเกินไป) ก็จะเกินขีดความสามารถการทำงานของคอมพิวเตอร์บนโดรน

การใช้ประโยชน์...อย่างไร? เมื่อไร? :

จุดแข็งของหุ่นยนต์ขนาดเล็กดังเช่น โดรนจิ๋วใหม่ คือ ความสามารถในการเดินทางที่ซับซ้อนเป็นระยะทาง 100 เมตร แล้วก็สามารถเดินทางกลับจุดเริ่มต้น โดยใช้เทคโนโลยีน้อยที่สุด ควบคุมโดยคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก ราคาถูก ที่มีขายในตลาดคอมพิวเตอร์ทั่วไป และมีกล้องขนาดเล็กเป็นส่วนสำคัญในการเดินทางและเก็บข้อมูล โดยที่เทคโนโลยีบนโดรนจิ๋ว ไม่สามารถวิเคราะห์และสังเคราะห์ข้อมูลได้ ขณะที่โดรนจิ๋วกำลังบินปฏิบัติภารกิจอยู่

แต่คณะนักวิจัยกล่าวว่า เพียงเท่านี้โดรนจิ๋วก็สามารถทำงาน 'เฉพาะกิจ' ได้หลายอย่างที่สำคัญ

อะไรบ้าง?

เช่น :-

*การตรวจสต็อกจำนวนและสภาพสินค้าในคลังสินค้า

*การตรวจสภาพของพืชทดลองและพืชเศรษฐกิจในเรือนกระจก

*การตรวจเฝ้าระวังและตรวจหาการรั่วของแก๊สอันตรายในโรงงานอุตสาหกรรม

เมื่อไร?

ในแง่ของการวิจัยและพัฒนา หุ่นยนต์เล็ก เช่น โดรนจิ๋วใหม่ ผ่านระบบการวิจัยและพัฒนามาแล้ว และจึงพร้อมที่จะออกทดลองใช้งานได้

และคาดว่า น่าจะได้รับการยอมรับไปใช้งานจริงในอนาคตไม่ไกลนัก เพราะยังมีข้อแข็งอีกประการหนึ่งของระบบนำร่องอัตโนมัติใหม่นี้ คือ ราคาที่ถูกสำหรับการผลิตโดรนจิ๋วเป็น 'ฝูง' เป็นโดรนจิ๋วที่ 'เก่ง' (แม้จะเป็นการเก่งเฉพาะทาง) และ 'ราคาถูก'

************

คณะนักวิจัยและพัฒนาเนเธอร์แลนด์ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติ (มด) และเทพนิทานแฮนเซลและเกรเทลของสองพี่น้องตระกูลกริมม์ ในการวิจัยและพัฒนาหุ่นยนต์อัตโนมัติขนาดเล็กโดรนจิ๋ว

ผู้เขียนได้ติดตามศึกษาความมหัศจรรย์ของธรรมชาติที่เป็น 'บทเรียนมหัศจรรย์' ดังเช่น การสังเคราะห์แสงของพืชที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ (ที่อุณหภูมิปรกติ)

และผู้เขียนก็ชอบอ่านเทพนิทานและนิทานพื้นบ้านของสองพี่น้องตระกูลกริมม์ และของไทยด้วย

แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ สนใจเรื่องอะไรในธรรมชาติ ที่เป็นบทเรียนน่าทึ่งบ้างครับ?

และท่านผู้อ่านชอบเทพนิทานหรือนิทานพื้นบ้านของใคร? เรื่องไหน? บ้างครับ?

************

ภาพ : Getty และ iStock