เปิดตัว "หุ่นยนต์นก" นักสำรวจ พิมพ์ 3D งบหมื่นต้น ๆ ที่ทำได้ทั้งบินและดำน้ำในตัวเดียว

ถอดรหัสความลับจากธรรมชาติ

ในธรรมชาติมีนกกว่า 100 ชนิดที่สามารถเคลื่อนที่สลับไปมาระหว่างน้ำและอากาศได้อย่างไร้รอยต่อ เช่น การดิ่งลงน้ำเพื่อล่าเหยื่อแล้วบินกลับขึ้นฟ้าทันที ซึ่งเป็นแนวคิดในการสร้างหุ่นยนต์ตัวนี้ โดยความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือ การส่งหุ่นยนต์ลงไปในน้ำและทำให้หุ่นยนต์โผบินขึ้นมาได้ทันที เนื่องจากน้ำมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศถึง 800 เท่า ทำให้ระบบกลไกส่วนใหญ่ไม่สามารถทนต่อแรงต้านที่เปลี่ยนไปอย่างกะทันหันเช่นนี้ได้หากไม่มีการสลับชิ้นส่วนฮาร์ดแวร์ 

กลไกอัจฉริยะและการควบคุมความหนาแน่น

ทีมวิจัยจึงได้แก้ปัญหานี้ ด้วยการออกแบบปีกที่ยืดหยุ่นและการควบคุมความเร็วในการกระพือปีกอย่างแม่นยำ โดยเมื่ออยู่ใต้น้ำ ปีกจะงอตามแรงต้านได้ถึง 90 องศาโดยอัตโนมัติ ซึ่งช่วยลดภาระของมอเตอร์และทำให้ช่วงการขยับปีกสั้นลง ส่วนบนอากาศ ปีกคู่เดิมนี้จะกระพือด้วยความถี่สูงถึง 11 เฮิรตซ์ (Hz) ขณะที่ใต้น้ำจะลดความเร็วลงเหลือเพียง 0.1 ถึง 6 เฮิรตซ์ นอกจากนี้ ตัวหุ่นยนต์ยังถูกออกแบบให้มีแรงลอยตัวคงที่ (Neutrally Buoyant) คือไม่ลอยและไม่จมเอง ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานแบตเตอรี่ที่มีอยู่อย่างจำกัดได้มหาศาล และมีน้ำหนักตัวอยู่ที่ประมาณ 250 กรัมเท่านั้น 

เสี้ยววินาทีปราบเซียน "การทะยานจากน้ำสู่ฟ้า"

ทีมวิจัยอ้างว่าหุ่นยนต์นี้ เป็นหุ่นยนต์ขนาดเท่าตัวนกตัวแรกที่สามารถทำได้ทั้งการว่าย ดำน้ำ ทะยานขึ้นจากพื้นน้ำ และบินได้ โดยใช้เพียงการขยับปีก โดยอธิบายว่าแม้การบินและการว่ายน้ำจะเป็นเรื่องยาก แต่ความท้าทายที่แท้จริงคือช่วงเสี้ยววินาทีที่หุ่นยนต์ต้องดันตัวเองขึ้นจากผิวน้ำด้วยปีกคู่เดิม ซึ่งหุ่นยนต์ตัวนี้สามารถทะยานขึ้นสู่ฟ้าได้ในเวลาไม่ถึง 1 วินาที โดยการกระพือปีกเพียง 8 ถึง 10 ครั้ง อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้จะสำเร็จได้ภายใต้เงื่อนไขที่จำกัดมาก ได้แก่ ปีกต้องมีความแข็งในระดับปานกลาง หางต้องสั้นและแนบชิดลำตัว และมุมในการทะยานออกจากน้ำต้องอยู่ที่ประมาณ 70 องศา หากมุมราบเกินไป ส่วนหางจะลากหุ่นยนต์จมน้ำ แต่หากตั้งฉากเกินไป หุ่นยนต์จะพลิกคว่ำและตกลงมา 

โมเดลกายภาพเพื่อการศึกษาพฤติกรรมสัตว์

นอกเหนือจากความสำเร็จทางวิศวกรรมแล้ว หุ่นยนต์ตัวนี้ยังทำหน้าที่เป็นแบบจำลองทางกายภาพเพื่อทดสอบสมมติฐานเกี่ยวกับนกดำน้ำจริง ๆ ข้อมูลจากหุ่นยนต์ชี้ให้เห็นว่า การที่นกหดปีกใต้น้ำ อาจทำไปเพื่อเพิ่มความเร็วมากกว่าการประหยัดพลังงาน ซึ่งเป็นสมมติฐานที่ทดสอบได้ยากในสัตว์จริง ทั้งนี้นักวิจัยพบว่าทั้งนกจริงและหุ่นยนต์ตัวนี้มีประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ในระดับที่ใกล้เคียงกัน โดยวัดจากค่าตัวเลข สโตรฮาล (Strouhal number) หรือค่าที่ใช้วัดการแกว่งของวัตถุในของไหล ที่อยู่ระหว่าง 0.2 ถึง 0.4

นอกจากนี้ ข้อมูลยังระบุว่าหากการเดินทางมีระยะทางมากกว่า 15.5 เมตร การบินจะใช้พลังงานน้อยกว่าการว่ายน้ำอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้น หากจุดหมายอยู่ไกล หุ่นยนต์ตัวนี้จะเลือกบินไปแล้วค่อยดำน้ำลงไปใหม่ ซึ่งเป็นตรรกะเดียวกับคนที่เลือกเดินอ้อมริมทะเลสาบแทนที่จะเดินลุยน้ำลึกระดับเอว

อนาคตแห่งการสำรวจและนวัตกรรมแบบโอเพนซอร์ส

ปัจจุบันระบบของหุ่นยนต์ยังไม่ได้เป็นระบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ การทดสอบยังคงใช้การบังคับมือและการตั้งเวลา เป้าหมายต่อไปของทีมวิจัยจึงเป็นการพัฒนาระบบนำทางอัตโนมัติ การเพิ่มประสิทธิภาพในน้ำเค็ม รวมถึงการขยายระยะเวลาและระยะทางในการปฏิบัติงาน 

หากพัฒนาสำเร็จ มันจะกลายเป็นโดรนสะเทินน้ำสะเทินบกที่เหมาะสำหรับงานตรวจวัดสภาพแวดล้อม เช่น การเก็บตัวอย่างน้ำในทะเลสาบ แม่น้ำ ชายฝั่ง และระบบนิเวศทางทะเล และด้วยต้นทุนวัสดุเพียงประมาณ 300 ดอลลาร์สหรัฐ หรือราว 10,000 กว่าบาท โดยใช้ชิ้นส่วนที่หาได้ทั่วไป ทำให้หุ่นยนต์ตัวนี้สามารถลอกเลียนแบบได้ง่าย โดยทีมวิจัยได้แจกจ่ายไฟล์ CAD แบบเปิด (Open CAD files) เพื่อให้ทุกคนที่มีเครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถนำไปสร้างเองที่บ้าน เพื่อสานเจตนารมณ์ของทีมที่อยากเห็นนักสมุทรศาสตร์ นักชีววิทยาทางทะเล หรือคนในชุมชนชายฝั่ง ปล่อยหุ่นยนต์ตัวนี้ออกจากเรือหรือชายฝั่ง ให้มันบินไปยังพื้นที่ที่สนใจ เช่น ภูเขาน้ำแข็ง ท่าเรือ หรือฝูงวาฬ จากนั้นก็ดำน้ำลงไปเพื่อวัดค่าหรือเก็บตัวอย่าง แล้วบินกลับมาส่งข้อมูลในราคาที่ถูกกว่าวิธีดั้งเดิมมหาศาล ก่อนจะบินกลับไปดำน้ำซ้ำได้อีกเรื่อย ๆ