คิดนอกกรอบ “พลังงานของหุ่นยนต์” (Robot Energy Problem)

     วันนี้ได้เข้าไปอ่านข่าวในเว็บเมเนเจอร์ เจอข่าวเกี่ยวกับการออกแบบหุ่นยนต์ ซึ่งหัวใจหลักของหุ่นยนต์คือการจัดการพลังงาน หากเราจะสร้างหุ่นยนต์สักตัว แต่ไม่มีพลังงานให้มันเพียงพอ หรือหุ่นยนต์ของเราต้องการพลังงานที่ใหญ่โต แบตเตอรี่ก้อนใหญ่สักสี่ห้าลูก ลองคิดดูว่าหุ่นยนต์จะใหญ่ขนาดไหน

 

     บางครั้งการขบคิดปัญหาที่เรากำหนดโจทย์ไม่เหมาะสมเราอาจจะหาคำตอบไม่ได้ เช่น หากเรามัวแต่คิดว่าเราต้องการกำลังไฟฟ้าให้กับหุ่นยนต์ที่เราออกแบบไว้เป็นกำลังไฟฟ้าเท่านู่นเท่านี้ เราก็คงมองหาว่าเราต้องใช้แบตเตอรี่กี่ก้อนถึงจะได้พลังงานเท่านั้น แต่หากเราเปลี่ยนคำถามใหม่ว่า หุ่นยนต์ต้องการแรงในการเดินเป็นจำนวนเท่านี้นิวตัว(นิวตัน คือ หน่วยของแรง) เราก็อาจจะได้คำตอบของแหล่งพลังงานของหุ่นยนต์นอกเหนือไปจากแหล่งพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น

 

       มีเรื่องเล่าที่ตลกอยู่เรื่องหนึ่ง (ไม่รู้จริงหรือเปล่า) นานมาแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ขององค์การนาซ่าพยายามคิดค้นประดิษฐ์ปากกาที่สามารถเขียนลงบนหินบนดวงจันทร์ เพื่อให้นักบินอวกาศที่จะไปเก็บตัวอย่างหินบนดวงจันทร์ได้สามารถเขียนข้อความตัวหนังสือลงบนหิน เพื่อบอกตำแหน่งที่เก็บหินบนดวงจันทร์เมือเวลานำหินกลับมาที่โลกจะได้รู้ตำแหน่ง นักวิทยาศาสตร์ก็พยายามทุ่มเทคิดค้นปากกาที่สามารถทำงานได้ดีแม้ในสภาพสูญญากาศ น้ำหมึกที่ทำงานได้แม้ในอุณหภูมิที่ติดลบ และหัวปากกาที่แข็งมาก สามารถขีดเขียนลงบนพื้นผิวที่เป็นหินได้ ทางการสหรัฐหมดเงินไปหลายแสนล้านดอลล่าห์ เพื่อสร้างปากกาด้ามนี้ขึ้นมา แต่ภายหลังจีนให้ดินสอนักบินอวกกาศคนละด้าม เพื่อใช้ในการเขียนหินบนดวงจันทร์ ซึ่งสามารถเขียนหินได้เหมือนกัน แต่ราคาถูกกว่าไม่รู้กี่เท่าตัว lol

 

หากเรากำหนดโจทย์ของปัญหาที่จำกัดกรอบความคิดของเราแล้ว ก็ยากที่จะทำให้เราแก้ปัญหาที่ดูเหมือนยาก ให้สำเร็จได้ครับ

 

 

พลังงาน (Energy) ที่ใช้ในการขับเคลื่อนกลไกหุ่นยนต์มีอยู่หลายประเภทด้วยกัน ที่นิยมแพร่หลายมากที่สุดคือพลังงานไฟฟ้า ด้วยเหตุผลที่ว่าสามารถควบคุม “กำลังงาน (Power)” ได้ง่าย นักศึกษาสายวิทยาศาสตร์ทราบดีว่า กำลังงานคืออัตราการใช้พลังงานต่อหน่วยเวลา เมื่อเราสามารถควบคุมอัตราดังกล่าวได้ กลไกหุ่นยนต์และเครื่องจักรกลอื่นๆ ก็จะสามารถสำแดงสมรรถนะทางพลศาตร์ (Dynamics) ที่สัมพันธ์ระหว่าง มวล ความเร็ว และความเร่ง ได้อย่างถูกต้อง พลังงานนั้นมีประโยชน์มาก แต่หากขาดการควบคุมที่เหมาะสมกลับไร้ค่า หรือบางครั้งส่งผลอันตรายยิ่ง ตัวอย่างเช่น การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตกระแสไฟฟ้าต้องมีการควบคุมที่ละเอียดมาก มิฉะนั้นอาจเกิดเหตุเศร้าสลด ดังในกรณี ของเชอร์โนบิล ในโซเวียต และ ทรีไมล์ไอร์แลนด์ ที่มลรัฐเพนซิลวาเนีย สหรัฐอเมริกา

       ในทีมงานหุ่นยนต์สำรวจดาวอังคาร “Ambler” ที่ สถาบันหุ่นยนต์ มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน ออกแบบและสร้างให้องค์การนาซ่า เพื่อนผมคนหนึ่งได้เสนอให้ใช้ Nuclear Fuel ในการป้อนพลังงานให้หุ่นยนต์หกขาขนาดใหญ่ตัวนี้ แน่นอนครับการควบคุมค่อนข้างซับซ้อนและต้องดำเนินไปอย่างอัตโนมัติ เราไม่สามารถใช้ลักษณะการควบคุมภายใต้การดูแลของมนุษย์ (Supervisory Mode) ด้วยเหตุผลสองประการ คือ ไม่เร็วและไม่ละเอียดพอ ที่ว่าไม่เร็วพอนั้นเพราะมนุษย์นั่งบังคับการอยู่ที่ศูนย์ปฏิบัติการฮุสตัน สัณญานวิ่งไปถึงดาวอังคารต้องใช้เวลาอย่างน้อย 17 วินาที ทั้งนี้ยังไม่นับการถูกรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆระหว่างทางอีก เราจึงต้องออกแบบให้หุ่นยนต์สามารถควบคุมการใช้พลังงานด้วยตัวเขาเอง (Autonomous)

 

       วันก่อนผู้บริหาร บริษัทโคโกโร จากประเทศญี่ปุ่น ได้มาหาผมเพื่อหารือสร้างความร่วมมืองานวิจัยกับสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาค สนาม (ฟีโบ้) ด้าน Actroid: Actor(ress) + Humanoid บริษัทนี้มีความสามารถสูงในการออกแบบและสร้างหุ่นยนต์สำหรับงาน Exhibition ต่างๆ ในขณะนี้ได้รับงานกระทรวงวัฒนธรรมของเรา ไปสร้างหุ่นยนต์ ”ยักษ์วัดแจ้ง” ขึ้นที่บูธแสดงผลิตภัณฑ์และผลงานไทยที่นครเซี่ยงไฮ้ หุ่นยนต์ตัวนี้จะมาซักซ้อมที่ อิมแพคเมืองทองปลายเดือน พ.ย. นี้ ผมมีโอกาสได้ชมวิดีโอคลิบแล้ว พบว่าการเคลื่อนไหว ค่อนข้างเป็นธรรมชาติมาก ทั้งนี้คงเป็นเพราะต้นกำลังใช้ระบบลม (Pneumatics) ที่มีการดูดซับพลังงานส่วนเกิน (Damping) ผ่านการอัดตัวของอากาศแล้วกลายเป็นความร้อนไป(Dissipation) หากพิจารณาทางคณิตศาสตร์แล้ว เราจะพบว่ารากของสมการ (Eigen Value) วิ่งหนีจากแกนจินตภาพ(Imaginary Axis)เข้าสู่แกนจริง (Real Axis) ลักษณะการสั่นจึงลดลง ขอให้ท่านผู้อ่านนึกถึงระบบกันกระเทือนของรถยนต์ เวลาโช๊คเสื่อมสภาพเหลือแต่สปริง รถเราจะกระเด้งมาก เพราะสปริง (Stiffness) ดูดและคายพลังงานออกมาในรูปพลังงานจลน์เหมือนเดิม ไม่ทำการ dissipate เป็นความร้อนเช่นโช๊ค อย่างไรก็ตามเมื่อเปรียบเทียบกับการขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า ระบบลมนี้เสียงจะดังกว่า และความละเอียดในการเคลื่อนที่ต่ำกว่า

 

      ผมเพิ่งทราบว่า หุ่นยนต์ Repilee ของมหาวิทยาลัยโอซาก้า ที่มีหน้าตาคล้ายมนุษย์ มาก ก็เป็นผลงานออกแบบทางกลของบริษัทนี้เช่นกัน ผมและลูกศิษย์นักศึกษาปริญญาโทสองท่าน กำลังศึกษาผลรวมของอารมณ์ต่างๆที่แสดงออกมาทางหน้าตาหุ่นยนต์ผ่านระบบปัญญา ประดิษฐ์ ซึ่งต้องอาศัยความเชี่ยวชาญของบริษัทในการสร้าง Face Robot ขึ้นมา หากงานวิจัยนี้สำเร็จแล้ว ทางบริษัทจะได้ประโยชน์ด้วย นั่นคือผลิตภัณฑ์หุ่นยนต์ต้อนรับของบริษัท และหุ่นยนต์สำหรับการฝึกฝนการถอนฟัน และ การผ่าตัดอื่นๆ ก็จะมีการตอบสนองได้เสมือนจริงยิ่งขึ้น
แม้ ว่า Damping ช่วยให้การเคลื่อนที่ราบเรียบขึ้น แต่เป็นการสูญเสียพลังงานไปฟรีๆ สำหรับบางกรณี เราก็สามารถใช้ประโยชน์จากสะสมพลังงานแบบสปริง (Stiffness)ได้เช่นกัน ในสมัยที่ผมต้องลงแข่งขันหุ่นยนต์ที่ ปรมาจารย์ด้านหุ่นยนต์ของโลก: Prof. Matthew Mason จัดขึ้นเป็นประจำทุกปีที่มหาวิทยาลัยคาร์เนกี้เมลลอน โดยท่านให้หุ่นยนต์ขับเคลื่อนด้วยเคเปิลตัวเล็กมาหนึ่งตัว ชุด Tinker Toy คล้ายๆตัวเลโก้ มาหนึ่งชุด โจทย์คือผู้แข่งขันต้องโปรแกรมให้หุ่นยนต์โยนแท่งยางลบไปให้ไกลที่สุด มอเตอร์ตัวนิดเดียว แถมส่งกำลังผ่านเคเบิลอีก คำนวณทางทฏษฎีแล้วไม่มีทางที่หุ่นยนต์จะโยนยางลบไปได้เกินสองเมตรเลยครับ เพื่อนๆผมจาก School of Computer Sciences ที่เก่งก็เก่งจริง คงจะคิดซับซ้อนแบบ John Nash (ศิษย์เก่าในภาพยนตร์เรื่อง “Beautiful Mind”) สามารถโปรแกรมให้โยนไกลได้ถึง 1.8 เมตรเลยที่เดียว

       ผมไม่มีทางสู้ทาง Programming ได้เลยครับ โชคดีที่ผมนั้นมีพื้นฐานได้รับการฝึกฝนอย่างหนักจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระ จอมเกล้า ธนบุรี ให้เข้าใจระบบทางกายภาพ (Physical System) จากการปฎิบัติจริง ระบบทางกายภาพเป็นอนาลอก ผมจึงไม่จำเป็นต้องพึ่งระบบดิจิตอล (Computer Programming) มาจัดการเรื่องพลังงานน้อยๆจากมอเตอร์ตัวเล็กนั้น ซึ่งต้องมีการสูญเสียเพิ่มขึ้นอีกแน่นอน ผมจึงตัดสินใจประกอบ Tinker Toy เป็นเสาสูงห้านิ้ว โดยให้มีความยืดหยุ่นพอประมาณ ต่อจากนั้นเขียนโปรแกรมสองสามบรรทัดสั่งให้หุ่นยนต์หยิบยางลบวางไว้บนเสา แล้วหุ่นยนต์จึงทำการง้างเสาดังกล่าว พลังงานจลน์จึงถูกแปรเกือบทั้งหมด (Integration)ไปเป็นพลังงานศักย์สะสมไว้เสา จนเต็มที่แล้วจึงปลดปล่อยพลังงานทั้งหมดออกมาที่เดียวกับการใช้ง่าม หนังสติ๊ก พลังงานทั้งหมดนี้คือผลคูณของกำลังมอเตอร์กับเวลาที่ง้างเสา มีค่ามากกว่าการทำงานจุดจุดหนึ่งของมอเตอร์หลายเท่านัก
ปรากฏ ว่า ต้องใช้คำว่า “ยิง” แทนคำว่า “โยน” เพราะแท่งยางลบไปได้ไกลถึง 46 เมตร ที่จริงถ้าไม่กระทบผนังห้องเสียก่อน น่าไปได้อีกสัก 3-4 เมตร ผมจึงฟลุ๊กได้เป็น Robot Champion ในปีนั้นครับ

โดย ASTVผู้จัดการออนไลน์ 31 ตุลาคม 2552 09:36 น.