โดรนปีกกระพือเลียนแบบผีเสื้อกลางคืน นำทางอัตโนมัติได้โดยไม่ต้องใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI)

วันที่ 23 ตุลาคมที่ผ่านมา นักวิจัยที่ University of Cincinnati (UC) กำลังพัฒนาโดรนที่มีปีกกระพือซึ่งสามารถระบุตำแหน่งและลอยตัวอยู่รอบแหล่งกำเนิดแสงที่เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ เหมือนผีเสื้อกลางคืนที่บินเข้าหาเปลวไฟ โดรนเลียนแบบผีเสื้อกลางคืนนี้สามารถนำทางด้วยตนเองโดยไม่ต้องพึ่งพาปัญญาประดิษฐ์ (AI) แต่ใช้ระบบที่เรียกว่า ระบบป้อนกลับแบบแสวงหาค่าสุดขีด (Extremum-seeking feedback system) ซึ่งนักวิจัยกล่าวว่ามีประสิทธิภาพสูงมากและสามารถย่อขนาดลงไปสู่สัดส่วนที่เล็กจิ๋วได้

แรงบันดาลใจจากผีเสื้อกลางคืน

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ซาเมห์ ไอซา (Sameh Eisa) จากวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย (UC College of Engineering and Applied Science) และนักศึกษาภาควิชาวิศวกรรมการบินและอวกาศ ให้ความสนใจโดรนเหล่านี้ เนื่องจากศักยภาพในการบินที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด (Optimal design) และขนาดที่เล็กจิ๋วนี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้ในการเฝ้าระวังแบบลับ ๆ (Covert surveillance)

ผีเสื้อกลางคืนมีสามารถพิเศษในการลอยตัวอยู่กับที่ หรือแม้กระทั่งบินถอยหลัง พวกมันทำการปรับเปลี่ยนอย่างละเอียดโดยอัตโนมัติเพื่อชดเชยลมหรือสิ่งกีดขวาง เช่นเดียวกับโดรนเลียนแบบผีเสื้อกลางคืนที่สามารถปรับเปลี่ยนท่าบินอย่างละเอียดเพื่อรักษาระดับท่าทาง และระยะห่างที่ต้องการจากแหล่งกำเนิดแสง แม้ว่าแสงนั้นจะเคลื่อนที่ก็ตาม

ในห้องปฏิบัติการการสร้างแบบจำลอง พลศาสตร์ และการควบคุม (Modeling, Dynamics and Control Lab) ของผู้ช่วยศาสตราจารย์ซาเมห์ ไอซา (Sameh Eisa) ได้สำรวจวิศวกรรมที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสัตว์ โดยก่อนหน้านี้เคยตรวจสอบโดรนที่สามารถควบคุมพลังของการร่อนแบบไดนามิก (Dynamic soaring) เพื่อครอบคลุมระยะทางไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เหมือนนกอัลบาทรอส

การนำทางแบบไม่ใช้โมเดล (Model-Free Navigation)

สำหรับโครงการล่าสุดนี้ ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review E ผู้ช่วยศาสตราจารย์ซาเมห์ ไอซา (Sameh Eisa) และนักศึกษาปริญญาเอกอาห์เหม็ด เอลโกฮารี (Ahmed Elgohary) ได้ตั้งทฤษฎีว่าแมลงที่ลอยตัวอยู่กับที่สามารถบินได้อย่างคล่องแคล่วเพราะพวกมันใช้สิ่งที่เทียบเท่ากับระบบป้อนกลับแบบแสวงหาค่าสุดขีด

ระบบเหล่านี้ช่วยให้โดรนสามารถนำทางแบบเรียลไทม์ได้โดยไม่ต้องมีการคำนวณที่ซับซ้อน อุปกรณ์ระบุตำแหน่งทั่วโลก (Global-positioning equipment) หรือปัญญาประดิษฐ์ (AI) โดยทำงานง่าย ๆ ด้วยการปรับเปลี่ยนอินพุตควบคุมอย่างต่อเนื่อง เช่น จำนวนครั้งของการกระพือปีกต่อวินาที

โดรนจะทำการวัดประสิทธิภาพของฟังก์ชันที่ถูกตั้งโปรแกรมไว้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ เช่น การหาแหล่งกำเนิดแสงไปพร้อมกัน เพื่อแก้ไขเส้นทางในวงจรป้อนกลับคงที่ (Constant feedback loop) ซึ่งช่วยให้สามารถบินได้อย่างสม่ำเสมอและมั่นคงอย่างน่าทึ่ง

อาห์เหม็ด เอลโกฮารี (Ahmed Elgohary) ผู้เขียนนำของการศึกษากล่าวว่า "การจำลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าการควบคุมแบบ Extremum-seeking สามารถสร้างพฤติกรรมการลอยตัวที่มั่นคงซึ่งพบในแมลงได้ตามธรรมชาติ"

สำหรับความสามารถที่ไม่ต้องใช้ AI หรือแบบจำลองที่ซับซ้อน อาห์เหม็ด เอลโกฮารี (Ahmed Elgohary) อธิบายเอาไว้ว่า

"หลักการที่เรียบง่าย แบบไม่ขึ้นกับแบบจำลอง (Model-free) และเป็นไปตามเวลาจริง (Real-time principle) ที่สามารถอธิบายได้ว่าสิ่งมีชีวิตเล็ก ๆ เหล่านี้บรรลุความคล่องตัวดังกล่าวได้อย่างไรด้วยพลังสมองที่จำกัดมาก"

การจำลองพฤติกรรมการบินของแมลง

โดรนปีกกระพือ (Flapper drones) ควบคุมโดยการกระพือปีกอย่างอิสระ การกระพือปีกนี้รวดเร็วจนตาเปล่าไม่สามารถสังเกตได้ แต่จะดูเหมือนความพร่ามัวของปีกนกฮัมมิงเบิร์ด

โดรนมีความเสถียรมากถึงขนาดที่สามารถจำลองการโยกเยกไปมาอย่างละเอียด แต่เป็นเอกลักษณ์ของแมลงที่ลอยตัวอยู่กับที่ซึ่งเป็นต้นแบบในการออกแบบ ได้แก่ ผีเสื้อกลางคืน ผึ้งภมร แมลงปอ แมลงวันดอกไม้ แมลงวันขาใหญ่ และนกฮัมมิงเบิร์ด

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ซาเมห์ ไอซา (Sameh Eisa) กล่าวว่า "ผีเสื้อกลางคืนทำให้มันดูง่าย" โดยเสริมว่าเหตุผลที่พวกเขาใช้เทคนิค Extremum-seeking เป็นเพราะดูเหมือนเป็นไปได้ในทางชีววิทยา (Biologically plausible)

อาห์เหม็ด เอลโกฮารี (Ahmed Elgohary) ชี้แจงเพิ่มเติมว่าการควบคุมโดรนด้วยมือเปล่านั้นยากและเชื่อถือได้น้อยกว่าการใช้ระบบ Extremum-seeking ของมันเองมาก เมื่อระบบถูกเปิดใช้งานโดรนจะลอยขึ้นและโฉบอยู่กับที่ 

แม้จะมีความโยกเยกเล็กน้อย ซึ่งการโยกเยกนี้เป็นไปโดยตั้งใจ และให้การรบกวน (Perturbations) ที่ระบบต้องการเพื่อประเมินการเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพ เพื่อที่มันจะได้แก้ไขเส้นทางเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการบินได้อย่างต่อเนื่อง

โดรนติดตั้งอุปกรณ์ระบุตำแหน่ง (Global-positioning equipment) ระบบจะทำการปรับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องกับอินพุตควบคุม เช่น จำนวนครั้งของการกระพือปีกต่อวินาที 

ในตอนนี้ยังไม่ทราบเกี่ยวกับประเภทของพลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนโดรน เช่น แบตเตอรี่ หรือจำนวนของมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้ในการควบคุมปีกทั้งสี่อย่างชัดเจน อย่างไรก็ตาม การควบคุมแกนหมุน, แกนเงย/ก้ม, และแกนหันเห โดยการกระพือปีกอย่างอิสระ นั้นบ่งชี้ถึงการมีกลไกขับเคลื่อนแยกกันสำหรับปีกแต่ละข้างหรือคู่ของปีก

แมลงที่ลอยตัวอยู่กับที่ เช่น ผีเสื้อกลางคืนปีกใสที่ชอบดูดน้ำหวาน (Hummingbird clearwing moth) นั้นมีความสามารถพิเศษในการขยับปีกในลักษณะที่ไม่เหมือนใครเป็นรูปเลขแปด (Figure-of-eight motion) ซึ่งกลไกนี้ช่วยให้พวกมันได้รับแรงยกทั้งขณะที่ปีกกระพือลงและกระพือขึ้น 

นอกจากนี้ ปีกที่ยืดหยุ่นจะเปลี่ยนรูปในระหว่างการกระพือแต่ละครั้งเพื่อเพิ่มแรงยกและความคล่องแคล่วในการบังคับสูงสุด ผู้ช่วยศาสตราจารย์ซาเมห์ ไอซา (Sameh Eisa) กล่าวว่า 

"การวิจัยนี้มีความน่าสนใจอย่างยิ่ง ไม่เพียงแต่จะมีความหมายอย่างไรต่อยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับแบบอัตโนมัติ (Autonomous unmanned aerial vehicles) ใหม่ ๆ เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการทำความเข้าใจว่าแมลงตัวเล็ก ๆ เหล่านี้สามารถจัดการกับการแสดงผาดโผนอันน่าอัศจรรย์ด้วยสมองที่มีขนาดเท่าละอองเกสรดอกไม้ได้อย่างไร"

โดยมันอาจเปลี่ยนแปลงหลายสิ่งเกี่ยวกับชีวฟิสิกส์ หากเป็นกรณีที่แมลงที่ลอยตัวอยู่กับที่ เช่น ผีเสื้อกลางคืน ใช้สิ่งที่เทียบเท่ากับระบบป้อนกลับแบบแสวงหาค่าสุดขีด ( Extremum-seeking feedback) ที่พวกเขาพัฒนาขึ้น ซึ่งแสดงว่าระบบนี้อาจวิวัฒนาการในสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ด้วยเช่นกัน