เทคโนโลยีใหม่ช่วยให้โดรนจิ๋วนำทางด้วยการสัมผัสในสภาพแวดล้อมที่ไร้สายตา

เทคโนโลยีใหม่ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อรับมือกับหนึ่งในความท้าทายสำคัญที่สุดของวงการหุ่นยนต์ นั่นคือการทำให้โดรนขนาดเล็กพิเศษที่มีน้ำหนักเบาสามารถนำทางได้เมื่อสูญเสียการมองเห็นเกือบทั้งหมด โดยนักวิจัยได้แรงบันดาลใจจากสัตว์ฟันแทะที่เคลื่อนที่อยู่ในถ้ำใต้ดินมืดสนิท จึงได้พัฒนากรอบการทำงานเชิงสัมผัสที่อิงจากหนวด ซึ่งทำให้โดรนสามารถรับรู้ทิศทางภายในพื้นที่ซับซ้อนได้ หนวดเทียมที่ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติจำนวนสองเส้นซึ่งติดตั้งอยู่บริเวณส่วนหน้าของโดรนจิ๋ว ทำหน้าที่ส่งข้อมูลป้อนกลับแบบเรียลไทม์ เพื่อให้โดรนรับรู้ตำแหน่งของตนเองขณะสัมผัสกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ ชุดอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดนี้นำระบบนำทางด้วยการสัมผัสมาใช้กับหุ่นยนต์บินขนาดเล็กโดยตรง ทดแทนระบบเดิมที่ใช้แขนกลหรือตัวชน

Salua Hamaza รองศาสตราจารย์ด้าน Aerial Physical Interaction and Robotics Intelligence จาก Delft University of Technology อธิบายว่า "เป้าหมายของเราคือการมอบการรับรู้เชิงสัมผัสที่หลากหลายให้กับโดรน ไม่ใช่เพื่อการบินจัดการวัตถุ แต่เพื่อแนวคิดใหม่ของการนำทางด้วยการสัมผัส นั่นคือการใช้การสัมผัสเพื่อสำรวจและเคลื่อนที่ผ่านสภาพแวดล้อมที่ไม่รู้จัก"

แรงบันดาลใจเบื้องหลังการนำทางด้วยหนวด

การกำเนิดขึ้นของโดรนติดหนวดนี้มีพื้นฐานมาจากการที่หนูและหนูทดลองพึ่งพาหนวด (หรือที่เรียกว่า vibrissae) ในฐานะระบบนำทางด้วยการสัมผัสที่มีความแม่นยำสูง ทำหน้าที่ทดแทนการมองเห็นในความมืด โคนของหนวดแต่ละเส้นมีปลายประสาทที่ไวต่อสิ่งเร้า ซึ่งสามารถตรวจจับการเบี่ยงเบน การสั่นสะเทือน และการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเพียงเล็กน้อยเมื่อสัมผัสกับพื้นผิว สัตว์ฟันแทะสามารถวัดขนาดของช่องว่างแคบๆ รับรู้ผนังที่อยู่ใกล้เคียง และสร้างแผนที่ของสภาพแวดล้อมโดยรอบได้ด้วยการกระดิกหนวดอย่างรวดเร็ว ทำให้พวกมันเคลื่อนที่ภายในพื้นที่แคบและมืดสนิทได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ชนสิ่งกีดขวาง โดยได้รับแรงบันดาลใจจากเทคนิคทางธรรมชาตินี้ การพัฒนาดังกล่าวจึงมุ่งเป้าไปที่ความท้าทายพื้นฐานของวงการหุ่นยนต์ทางอากาศ

หุ่นยนต์บินที่หนักมากกว่า 100 กรัม ไม่สามารถบรรทุกระบบ LiDAR ที่มีน้ำหนักมากหรือหน่วยประมวลผลที่ใช้พลังงานสูงได้ โดรนจิ๋วเหล่านี้มักจะตกในพื้นที่วิกฤตที่ทัศนวิสัยต่ำ เนื่องจากฝุ่น ควัน หรือความมืดสนิททำให้เลนส์ไม่สามารถทำงานได้ การรับรู้ด้วยการสัมผัสเปลี่ยนแปลงทุกอย่าง

ระบบรับรู้เชิงสัมผัสน้ำหนักเบา

นักวิจัยได้สร้างระบบรับรู้แบบแอ็คทีฟและเรียลไทม์ด้วยการติดตั้งหนวดเทียมที่ยืดหยุ่นได้จำนวนหนึ่งคู่ที่ด้านหน้าของโดรน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ได้มีการพัฒนาระบบรับรู้เชิงสัมผัสที่รวดเร็วและมีน้ำหนักเบา ซึ่งช่วยให้โดรนนำทางได้โดยไม่พึ่งพาการมองเห็น ที่โคนของหนวดแต่ละเส้นมีเซ็นเซอร์แรงดันขนาดจิ๋วสามตัว เมื่อหนวดงอและสัมผัสกับพื้นผิว เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเพียงเล็กน้อย และคำนวณความลึกและตำแหน่งของจุดสัมผัสได้อย่างรวดเร็ว ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดไม่ใช่แค่การรับรู้ผนัง แต่ยังรวมถึงการกรองสัญญาณรบกวนที่เกิดจากตัวโดรนเอง โดยกระแสลมจากใบพัดจะสร้างเสียงรบกวน การบิดเบือนของอากาศ และการเบี่ยงเบน

เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมงานจาก Delft ได้ออกแบบไปป์ไลน์การประมวลผลแบบเบา ซึ่งทำงานได้ด้วยหน่วยความจำเพียง 34KB อัลกอริทึมนี้จะคัดกรองความปั่นป่วนที่เกิดจากตัวโดรนเองอย่างต่อเนื่อง ทำให้เหลือเฉพาะข้อมูลความลึกระดับมิลลิเมตรที่ชัดเจน Chaoxiang Ye จาก Delft University of Technology กล่าวว่า "เราต้องการแสดงให้เห็นว่า การรับรู้เชิงสัมผัสไม่จำเป็นต้องแลกมาด้วยขนาดหรือพลังการประมวลผล"

ศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในอนาคต

ในการทดสอบการบิน โดรนจิ๋วนี้สามารถนำทางในสภาพแวดล้อมที่มืดสนิท สร้างแผนผังของห้องที่ไม่รู้จัก เคลื่อนที่ตามแนวผิวหน้าของพื้นผิว และค้นหาทางออกโดยไม่มีสิ่งบอกทางด้วยภาพใดๆ การเปลี่ยนเลนส์ขนาดใหญ่ด้วยหนวดที่ยืดหยุ่นได้ ทำให้หุ่นยนต์กู้ภัยและค้นหาแบบอัตโนมัติมีขนาดเล็กลง เบาขึ้น และฉลาดขึ้น ในอนาคต โดรนจิ๋วติดหนวดเหล่านี้อาจมอบข้อได้เปรียบในหลายสาขาที่มีความต้องการสูง ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์เหล่านี้สามารถเข้าไปในอาคารที่พังถล่มและเต็มไปด้วยควันเพื่อกู้ภัยจากแผ่นดินไหวหรือไฟไหม้ ซึ่งเลนส์ถ่ายภาพด้วยแสงและความร้อนไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไป

ผู้ปฏิบัติงานในภาคอุตสาหกรรมสามารถนำไปใช้ตรวจสอบข้อบกพร่องของโครงสร้างในท่อแคบ ช่องระบายอากาศ ท่อระบายน้ำ และเหมืองใต้ดิน เทคโนโลยีนี้ยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสำรวจอวกาศ เพื่อนำทางในหลุมดวงจันทร์และอุโมงค์ลาวาบนดาวอังคารที่แสงแดดส่องไม่ถึง งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications

ความก้าวหน้าและแนวโน้มการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโดรนจิ๋ว

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีนี้อยู่ที่การนำระบบนำทางด้วยการสัมผัสมาใช้กับโดรนจิ๋ว ซึ่งช่วยแก้ปัญหาการนำทางในสภาพแวดล้อมที่มีทัศนวิสัยต่ำ โดยดั้งเดิมแล้วโดรนพึ่งพาระบบการมองเห็นในการนำทาง แต่ในบางสถานการณ์ เช่น ในควันหรือความมืด ระบบเหล่านี้ไม่สามารถทำงานได้ตามปกติ ด้วยการเลียนแบบการรับรู้เชิงสัมผัสของสัตว์ฟันแทะ โดรนจิ๋วเหล่านี้จึงสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน และแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในหลายสาขา ทั้งงานกู้ภัย การตรวจสอบ และการสำรวจอวกาศ