หุ่นยนต์ตัวเล็กข้ามพื้นผิวหลากหลายได้อย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

หุ่นยนต์ขนาดพอวางบนฝ่ามือที่ต้องเดินทางบนทราย หญ้า หรือผ้า มักเจอปัญหาที่รถล้อผ่านได้ไม่ดี ขาแบบแข็งก็อาจลื่นหรือสะดุดเมื่อพื้นเปลี่ยน แต่ต้นแบบชิ้นหนึ่งกระโดดข้ามพื้นผิวหลายชนิดและลงน้ำว่ายต่อได้ สิ่งที่น่าสนใจคือมันไม่ได้อาศัยมอเตอร์แรงสูงแบบที่เห็นในหุ่นยนต์ขนาดใหญ่

เวลาย่อหุ่นยนต์ให้เล็ก น้ำหนัก พื้นที่ และพลังงานที่ใส่แบตเตอรี่ได้ล้วนมีจำกัด หากมอเตอร์ต้องออกแรงสูงทุกครั้งที่ขยับ ข้อจำกัดเหล่านี้ยิ่งชัด นักวิจัยจึงมองหาวิธีให้โครงสร้างของขาช่วยเก็บพลังงานไว้ แล้วปล่อยออกมาเป็นจังหวะ แทนการผลักตัวไปข้างหน้าด้วยแรงต่อเนื่อง

งานที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances อธิบายว่าทีมใช้ ก้านยืดหยุ่นที่ดัดและบิดให้สะสมพลัง ก่อนดีดข้ามไปเป็นอีกรูปทรง มอเตอร์หมุนปลายก้านอย่างช้า ๆ จนถึงจุดวิกฤต แล้วก้านจะ snap-through เปลี่ยนรูปอย่างฉับพลัน ปลดพลังยืดหยุ่นเป็นแรงผลักสั้น ๆ สำหรับการกระโดด

ก้านชนิดเดียวกันไม่ได้ดีดแบบนี้ทุกทรง นักวิจัยพบว่ารูปทรงเกลียวและวิธีหมุนปลายก้านร่วมกันกำหนดว่ามันจะค่อย ๆ โก่ง หรือจะ snap อย่างรวดเร็ว ทีมใช้ทฤษฎีคำนวณ การจำลอง และแขนหุ่นยนต์ทดสอบดัดก้านหลายแบบ เพื่อทำแผนที่ทำนายว่าเงื่อนไขไหนจะนำไปสู่การดีดที่ทำซ้ำได้

เมื่อนำกติกานั้นไปออกแบบขาเป็นเกลียวสองข้าง แล้วติดตั้งกับหุ่นยนต์ไร้สาย โครงสร้างจะค่อย ๆ รับแรงจากมอเตอร์ ก่อนส่งแรงผลักออกมาเป็นช่วง ๆ ต้นแบบยาวประมาณ 11 เซนติเมตร หนัก 98.2 กรัม ขนาดใกล้เคียงสำรับไพ่หนึ่งชุด ตัวเลขนี้เป็นขนาดของหุ่นยนต์ต้นแบบในงานทดลอง ไม่ใช่ข้อกำหนดของหุ่นยนต์ทุกชนิด

ทีมทดสอบการกระโดดบนไม้ ผ้า อะคริลิก หนัง หญ้า และทราย ความเร็วสูงสุดที่รายงานคือ 3.21 เท่าของความยาวลำตัวต่อวินาทีบนพื้นไม้ เมื่อเฉลี่ยหกพื้นผิว ต้นแบบทำได้ 2.46 เท่าของความยาวลำตัวต่อวินาที เทียบกับ 0.79 ของหุ่นยนต์ขาแข็งที่ใช้เปรียบเทียบ หน่วยนี้หารระยะทางด้วยความยาวตัวหุ่นยนต์ จึงช่วยเทียบการเคลื่อนที่ของสิ่งที่มีขนาดต่างกัน

เมื่อติดครีบยืดหยุ่นบาง ๆ กลไกเดียวกันยังพาหุ่นยนต์ลงน้ำและว่ายได้ งานวิจัยยังสาธิตการเลี้ยว การกลับตีลังกา และการผ่านสนามทรายที่มีสิ่งกีดขวางด้วย จุดเด่นจึงไม่ได้อยู่ที่การเลียนแบบกบให้เหมือนจริง แต่อยู่ที่การนำพลังที่สะสมในชิ้นส่วนยืดหยุ่นมาใช้กับการเคลื่อนที่หลายแบบ

อย่างไรก็ตาม นี่คือต้นแบบทดลองขนาดเล็กและผลจากพื้นผิวที่ทีมเลือกทดสอบ ไม่ได้ยืนยันว่าพร้อมใช้ค้นหาและกู้ภัยในสภาพจริง ซึ่งต้องเจอสิ่งกีดขวางและเงื่อนไขที่คาดเดาไม่ได้มากกว่าเดิม ตัวเลขความเร็วก็เป็นผลของหุ่นยนต์รุ่นนี้ ไม่ควรนำไปเทียบตรง ๆ กับหุ่นยนต์ทุกตัวโดยไม่ดูขนาด วิธีวัด และสนามทดสอบ

หลักการที่งานนี้แสดงคือ มอเตอร์ขนาดเล็กอาจสร้างการเคลื่อนไหวแรงและเร็วได้ หากโครงสร้างช่วยสะสมพลังแล้วปล่อยในจังหวะที่เหมาะ รูปทรงของก้านจึงทำหน้าที่คล้ายกลไกส่งแรงในตัว และเป็นทางเลือกที่วิศวกรนำไปศึกษาต่อสำหรับหุ่นยนต์ที่ต้องรับมือกับพื้นผิวหลากหลาย