IT-Digest ปีที่ 3 ฉบับที่ 10 (16 พฤษภาคม 2549)

"มาเดลลีน" หุ่นยนต์เต่าทะเล

หุ่นยนต์เต่าทะเลที่ชื่อ “มาเดลลีน” (Madeleine) ซึ่งเกิดจากการประดิษฐ์ของทีมนักวิจัยของวิทยาลัยแวสซ่าร์ (Vassar College) ประเทศสหรัฐอเมริกานี้ สามารถช่วยวิศวกรในการสร้างเรือดำน้ำหรือยานพาหนะที่ทำงานอัตโนมัติใต้น้ำได้ดีมากขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยตอบคำถามที่ว่าสัตว์ที่มีอายุมายาวนานก่อนประวัติศาสตร์นั้นใช้ครีบว่ายน้ำได้อย่างไร

madeleine
ภาพ : หุ่นยนต์มาเดลลีนเปรียบเทียบกับเต่าทะเล
ที่มา : newscientist.com

หุ่นยนต์มาเดลลีน มีขนาดและน้ำหนักที่ใกล้เคียงกับเต่าหญ้าหรือเต่าสังกะสี (Kemp’s Ridley or Olive Ridley Sea Turtle) คือ มีขนาดลำตัวประมาณ 80x30 เซนติเมตร หนัก 24 กิโลกรัม และสามารถควบคุมกำลังไฟฟ้าที่ใช้ได้ระหว่าง 5 วัตต์ หรือ 10 วัตต์ ต่อกิโลกรัม ขึ้นอยู่กับลักษณะการทำงาน

หุ่นยนต์เต่าทะเลตัวนี้มีครีบที่ทำจากวัสดุโพลียูริเทนที่สามารถทำงานได้อย่างดีเหมือนกับครีบจริงๆ ของเต่าทะเล แต่ถูกควบคุมโดยมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งเชื่อมต่อกับแผงควบคุม คอมพิวเตอร์ มอเตอร์เหล่านี้จะทำหน้าที่บังคับการเคลื่อนที่ ของครีบแต่ละข้าง ซึ่งครีบด้านหลังทั้งสองข้างจะขยับขึ้นและกวาดลงมาอย่างรวดเร็วเพื่อทำให้เกิดแรงส่งให้แล่นไปข้างหน้าได้

หุ่นยนต์นี้จะถูกควบคุมจากระยะไกลโดยมี เซ็นเซอร์ตรวจวัดติดตั้งอยู่ที่ตัวหลายชนิด ได้แก่ กล้องบันทึกภาพ เครื่องส่งเสียงสะท้อนในน้ำ เครื่องวัดระยะความสูง และเครื่องตรวจวัดอัตราเร่งและความสั่นสะเทือน

นายจอห์น ลอง หัวหน้าทีมวิจัยกล่าวว่า การที่พยายามออกแบบ มาเดลลีน ให้มีรูปร่างเหมือนกับลักษณะของเต่าทะเลจริงๆ นี้ เนื่องจากทีมนักวิจัยหวังว่าจะสามารถสร้างหุ่นยนต์ติดครีบที่ทำงานในทะเลได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นกว่าเดิม โดยมีความเชื่อว่าสิ่งที่ธรรมชาติสร้างขึ้นมาน่าจะเป็นกลไกที่ทำงานที่ดีที่สุด

นอกจากนี้ เจ้าหุ่นมาเดลลีนยังสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจถึงการใช้ครีบของสัตว์ต่างๆ ในรูปแบบที่แตกต่างกันไป ตัวอย่างเช่น เต่าทะเล สิงโตทะเล และเพนกวิน ซึ่งต่างใช้ครีบคู่หนึ่งช่วยในการว่ายน้ำไปข้างหน้าและใช้ครีบอีกคู่ทำหน้าที่เหมือนหางเสือในการบังคับทิศทาง แต่ในสัตว์อีกจำพวกหนึ่ง ได้แก่ พลีซีโอซอร์ (Plesiosaurs) หรือไดโนเสาร์ชนิดที่อาศัยอยู่ในน้ำซึ่งปัจจุบันได้สูญพันธุ์ไปแล้ว และเต่าทะเลยักษ์ ซึ่งเป็นสัตว์ยุคดึกดำบรรพ์ (คาดว่าอยู่ในช่วง 251 และ 65 ล้านปีที่แล้ว) มักใช้ครีบทั้งสี่ข้างของมันในการว่ายน้ำไปข้างหน้า ซึ่งสิ่งนี้เองที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่า วิวัฒนาการน่าจะเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดความเปลี่ยนแปลงในการใช้งานครีบที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงเป็นสิ่งที่น่าสนใจที่จะหาสาเหตุว่าเป็นเพราะอะไร เพื่อนำไปสู่การประดิษฐ์หุ่นยนต์ที่ดีขึ้น

ทั้งนี้จากการศึกษาและทดลองในรูปแบบต่างๆ พบว่า การใช้ครีบทั้งสี่ข้างพร้อมๆ กันในการว่ายน้ำจะช่วยให้สามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและหยุดได้รวดเร็วขึ้น ในขณะที่การใช้ครีบเพียงสองข้างจะมีประสิทธิภาพในการว่ายล่องไปเรื่อยๆ มากกว่า โดยเฉลี่ยแล้วเมื่อมาเดลลีนใช้ครีบทั้ง สี่ข้าง จะสามารถหยุดได้เร็วกว่าใช้ครีบสองข้างโดยใช้ระยะทางในการหยุดลดลงถึงร้อยละ 44 และสามารถใช้อัตราเร็วในการว่ายน้ำ 0.7 เมตรต่อวินาที ซึ่งมากกว่าการใช้ครีบเพียงสองข้างถึงร้อยละ 20 อย่างไรก็ดี การใช้ครีบทั้งสี่พร้อมกันก็ส่งผลให้เปลืองพลังงานมากขึ้น ดังนั้นเมื่อต้องการที่จะว่ายล่องน้ำไปเรื่อยๆ ก็ควรใช้ครีบหลังเพียงคู่เดียวเท่านั้น จากการวิจัยนี้ช่วยให้เข้าใจว่าสัตว์น้ำส่วนใหญ่จะใช้กลวิธีในการว่ายน้ำที่แตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับสถานการณ์และการใช้งานในขณะนั้น และยังเป็นประโยชน์ในการนำไปใช้สำรวจท้องทะเลซึ่งมีสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันออกไปได้

ที่มา: https://www.newscientist.com/article/dn9047-roboturtle-answers-some-flippery-questions.html สืบค้นข้อมูลเมื่อ 22/5/2006 https://x1brettstuff.blogspot.com/2006/04/madeleine-roboturtle.html สืบค้นข้อมูลเมื่อ 22/5/2006

เซ็นเซอร์ที่ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่

นักเทคโนโลยีคาดการณ์ว่าในอนาคต เครื่องคอมพิวเตอร์หรือระบบสมองกลจะฝังตัวอยู่ในทุกที่ เพื่อทำหน้าที่ในการเก็บข้อมูลต่างๆ ตั้งแต่ข้อมูลสภาพแวดล้อม ข้อมูลเชิงพาณิชย์ไปจนถึงข้อมูลสุขภาพ ซึ่งข้อมูลที่จัดเก็บดังกล่าวสามารถนำไปประมวลผลเพื่อประกอบการตัดสินใจของผู้มีอำนาจ โดยเทคโนโลยีที่จะใช้เพื่อเก็บและวัดข้อมูลต่างๆ ได้ คือเซ็นเซอร์ขนาดจิ๋วจำนวนมากที่จะสามารถวัดปริมาณแสง อุณหภูมิ หรือแม้แต่ความเคลื่อนไหวหรือการเคลื่อนที่ของมนุษย์ได้

ทั้งนี้ การที่จะให้อุปกรณ์เซ็นเซอร์สามารถทำงานได้นั้น จะต้องใช้พลังงานไฟฟ้าซึ่งปัจจุบันใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงาน ดังนั้น เมื่อใช้งานไประยะเวลาหนึ่ง (เช่น 2-3 ปี) ก็ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่ในอุปกรณ์เซ็นเซอร์ ซึ่งหากมีเซ็นเซอร์เป็นจำนวนมากก็จะทำให้ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนแบตเตอรี่มีราคาสูง มาก เพราะจะต้องใช้แรงงานมนุษย์ในการเปลี่ยน รวมทั้งค่าใช้จ่ายในการเดินทางไปยังสถานที่ที่ติดตั้งอุปกรณ์เซ็นเซอร์ต่างๆ ดังนั้น นักวิจัยจึงได้พยายามคิดค้นอุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่ใช้พลังงานจากแหล่งอื่นๆ เช่น การใช้พลังงานจากแรงสั่นสะเทือนของสภาพแวดล้อม หรือการใช้แสงเป็นแหล่งพลังงาน

ทีมวิจัยจากบริษัท Intel Research เป็นอีกกลุ่มหนึ่งที่พยายามศึกษาเพื่อพัฒนาแบตเตอรี่ที่ใช้พลังงานในรูปแบบใหม่ๆ พวกเขาได้เสนอแนวคิดในการการใช้พลังงานโดยอิงหลักการค้นหาพลังงาน (power-scavenging) ซึ่งปัจจุบันใช้ในการทำงานของป้ายระบุอิเล็กทรอนิกส์ RF-ID (Radio Frequency Identification Tag) ที่ไม่ใช้แบตเตอรี่ มาประยุกต์ใช้เพื่อเป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์เซ็นเซอร์ต่างๆ

invisible-clock
ภาพ : ภาพ RFID Tag และสวิซต์
ที่มา : www.intel.com

ทีมวิจัยดังกล่าวได้ผนวกการทำงานของ RF-ID Tag เครื่องอ่าน (Reader) และอุปกรณ์เซ็นเซอร์ ซึ่งทำให้ได้อุปกรณ์เซนเซอร์ที่มีขนาดเล็ก ใช้พลังงานน้อย และมีราคาไม่แพงนัก ทั้งนี้อุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่ปราศจากแบตเตอรี่จะทำงานเมื่ออยู่ในรัศมีของเครื่องอ่าน สำหรับอุปกรณ์ที่สำคัญของเซ็นเซอร์ชนิดใหม่นี้ ประกอบด้วย

1) สายอากาศ ซึ่งจะทำหน้าที่รับ-ส่งข้อมูล และจัดเก็บพลังงานจากเครื่องอ่าน โดยสายอากาศจะรับพลังงานจากคลื่นวิทยุที่ส่งมาโดยเครื่องอ่าน ดังนั้นเมื่ออุปกรณ์ tag เข้ามาอยู่ในรัศมีของเครื่องอ่านแล้ว tag สามารถส่งข้อมูลตอบสนองโดยอาศัยพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากคลื่นวิทยุจากเครื่องอ่านผ่านสายอากาศด้วยกระบวนการที่เรียกว่า “Backscattering” ซึ่งสายอากาศจะสะท้อนสัญญาณที่มีข้อมูลจากเซ็นเซอร์กลับไปยังเครื่องอ่าน

2) เซ็นเซอร์ ที่มีอุปกรณ์ไมโครคอนโทรลเลอร์ (microcontroller) ซึ่งเป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ขนาดจิ๋ว มีไมโครโพรเซสเซอร์ (microprocesser) 16 บิต มีพื้นที่เก็บข้อมูลแบบแฟลชจำนวน8 กิโลไบต์ และมีหน่วยความจำแบบ RAM จำนวน 256 ไบต์ ที่ต้องการพลังงานเพียงไม่กี่ร้อยไมโครวัตต์ในการเก็บและประมวลผลข้อมูล อุปกรณ์ไมโครคอนโทรลเลอร์จะทำหน้าที่ส่งข้อมูลระหว่างเซ็นเซอร์และเครื่องอ่านแบบไม่มีข้อผิดพลาด เนื่องจากการประมวลผลข้อมูลสำหรับอุปกรณ์เซ็นเซอร์จะทำงานแบบทันที (real-time) ที่ได้รับข้อมูล ปัจจุบันเซ็นเซอร์ที่พัฒนาโดยบริษัท Intel Researchนั้น จะต้องใช้งานในระยะห่างจากเครื่องอ่านไม่เกิน 1 เมตรเพื่อสามารถทำงานและสร้างพลังงานได้

เนื่องจากอุปกรณ์ไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องการความต่างศักย์ไฟฟ้าจำนวน 3 โวลท์ เพื่อเริ่มต้นทำงาน ถึงแม้ว่าในขณะทำงานจะใช้พลังงานไฟฟ้าเพียงแค่ 1 มิลลิวัตต์ เท่านั้น ปัจจุบันทีมวิจัยได้พยายามปรับปรุงการทำงานของอุปกรณ์ไมโครคอนโทรลเลอร์ เพื่อให้ใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าเพียง 1.8 โวลท์ และทำให้สามารถขยายระยะห่างระหว่างอุปกรณ์เซ็นเซอร์และเครื่องอ่านไปได้ถึง 5 เมตร

เซ็นเซอร์ที่ไม่ใช้แบตเตอรี่นั้นสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในหลายด้าน รวมทั้งการใช้งานทางการแพทย์ โดยสามารถใช้อุปกรณ์เซ็นเซอร์ในการตรวจวัดสภาพ ร่างกาย ตั้งแต่ระดับน้ำตาลในเลือดสำหรับผู้ที่ป่วยเป็นโรคเบาหวาน ไปจนถึงระดับความเป็นกรดหรือด่างในเลือด หรือของเหลวอื่นๆ ในร่างกาย โดยขณะนี้ทีมวิจัยของ Intel Research ได้พัฒนาต้นแบบซึ่งรวมเซ็นเซอร์วัดปริมาณแสง เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ และเซ็นเซอร์วัดความลาดเอียง ไว้ในอุปกรณ์เซ็นเซอร์แบบไม่ใช้แบตเตอรี่เพียงตัวเดียว

ที่มา : www.technologyreview.com/read_article.aspx?ch.=inotech&sc=&id+1686&pg=1 สืบค้นข้อมูลเมื่อ 15/5/2006

เสื้อคลุมล่องหนของแฮรี่ พอตเตอร์: เรื่องจริง หรือ จินตนาการ?

ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์สองกลุ่มจากประเทศอังกฤษและประเทศสหรัฐอเมริกา กำลังพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ที่ เรียกว่า เมต้าแมททีเรียล (metamaterials) ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถนำทางให้แสงหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบต่างๆหักเหไปรอบๆวัตถุ นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าถ้าเราเอา เมต้าแมททีเรียล ไปคลุมทับวัตถุใดๆ แล้ว วัตถุนั้นจะไม่สามารถถูกมองเห็นได้จากแสงที่มองเห็นด้วยตาเปล่า (visible light) แสงอินฟราเรด (infrared light) คลื่นไมโครเวฟ (microwaves) หรือแม้กระทั่งสัญญาณโซนาร์ (sonar probes)

batfre-sensor

ภาพ : เสื้อคลุมล่องหนจากภาพยนตร์เรื่อง แฮรี่ พอตเตอร์
ที่มา : https://www.snitchseeker.com/

เมต้าแมททีเรียล ประกอบด้วยโครงสร้างหลายส่วน (composite structures) ที่ก่อให้เิกิดเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติในการหักเหแสงในลักษณะพิเศษ ซึ่งเราไม่สามารถพบวัสดุที่มีคุณสมบัติดังกล่าวได้ตามธรรมชาติ มนุษย์จึงจำเป็นที่จะต้องสร้างวัสดุประเภทนี้ขึ้นมาเอง คือ เมื่อมีแสงหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบต่างๆมากระทบกับเสื้อคลุมที่ทำจากเมต้าแมททีเรียล แสงเหล่านั้นจะหักเหไปรอบๆ เสื้อคลุม เสมือนกับว่าแสงนั้นไม่ได้ตกกระทบกับวัตถุใดๆ เลย หลักการทำงานของเสื้อคลุมล่องหน (invisible cloak) ซึ่งจะทำให้คนที่มองมาที่เสื้อคลุมนี้ สามารถมองทะลุผ่านเสื้อคลุมไปได้โดยที่มองไม่เห็นวัตถุที่อยู่ภายใต้เสื้อคลุมนั้น นอกเหนือจากนี้เสื้อคลุมที่ทำมาจากเมต้าแมททีเรียลจะไม่ทำให้เกิดการสะท้อนแสง และไม่ทำให้เกิดเงาอีกด้วย หลักการของเมต้าแมททีเรียลตามที่กล่าวมาข้างต้นนี้จะแตกต่างจากหลักการของเครื่องบินทิ้งระเบิดสเต็ลธ์ (Stealth bombers) ที่ใช้วิธีการสะท้อนสัญญาณเรดารฺ์กลับไปเมื่อมีสัญญาณมาตกกระทบที่พื้นผิวของเครื่องบิน ทำให้เครื่องบินไม่สามารถถูกตรวจจับได้

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิมพีเรียล ประเทศอังกฤษได้กล่าวในตอนท้ายว่า เสื้อคลุมล่องหนในโลกแห่งความเป็นจริง คงจะหนากว่าเสื้อคลุมล่องหนของแฮรี่พอตเตอร์มาก ซึ่งแทนที่เราจะเรียกว่าเป็นเสื้อคลุม อาจจะต้องเรียกว่าเป็นเกราะคลุมล่องหน (invisible shield) มากกว่า

ที่มา: https://edition.cnn.com/2006/TECH/05/25/invisibility.cloak.ap/index.html สืบค้นข้อมูลเมื่อ 25/5/2006 https://news.aol.com/science/story/_a/scientists-ponder-ways-to-make-invisible/n20060525153909990021?cid=911 สืบค้นข้อมูลเมื่อ 25/5/2006