เครื่องจักรที่ปราดเปรียวเหมือนนักกีฬา หมายความว่าอย่างไร?
วันนี้เราจะแสดงให้เห็นถึง ความปราดเปรียวของเครื่องจักร
และงานวิจัยที่อยู่เบื้องหลังความสำเร็จนี้
โดยใช้เครื่องบินเหล่านี้ที่เรียกว่า คอปเตอร์สี่ใบพัด (quadcopter)
หรือเรียกสั้นๆ ว่าควอด
ควอดมีมานานแล้ว
แต่เหตุผลที่มันเป็นที่นิยมมากทุกวันนี้
ก็เพราะมันใช้กลไกง่ายๆ
ด้วยการควบคุมความเร็วใบพัดทั้งสี่นี้
เครื่องเหล่านี้สามารถ หมุน เชิด หัน
และเร่งตามแนวแกนร่วมของมัน
บนเครื่องยังมีแบตเตอรี คอมพิวเตอร์
เซนเซอร์ต่างๆ และวิทยุไร้สาย
ควอดจะคล่องแคล่วมาก แต่ความว่องไวนี้มีข้อเสีย
มันมาพร้อมกับความไม่เสถียร และมันต้องการ
ข้อมูลป้อนกลับอัตโนมัติเพื่อให้สามารถบินได้
มันทำแบบเมื่อกี้ได้อย่างไร
ด้วยกล้องบนเพดาน และแล็บท็อป
ทำหน้าที่เป็นระบบระบุตำแหน่งภายใน
ใช้เพื่อระบุตำแหน่งวัตถุในอากาศ
ที่มีเครื่องหมายสะท้อนแสงเหล่านี้ติดอยู่
ข้อมูลนี้จะถูกส่งไปยังแล็บท็อปอีกเครื่องหนึ่ง
ที่มีอัลกอริทึม (algorithms - ขั้นตอนการคิดคำนวณ) สำหรับประมาณการและควบคุม
และส่งคำสั่งไปยังควอดอีกทอดหนึ่ง
ซึ่งควอดพวกนี้ก็มีอัลกอริทึม สำหรับประมาณการและควบคุมอยู่ในตัว
งานส่วนใหญ่ของการวิจัยของเรา คือการสร้างอัลกอริทึม
มันคือเวทมนต์ที่เสกเครื่องจักรเหล่านี้ให้มีชีวิต
ทีนี้เราออกแบบอัลกอริทึมอย่างไร
ที่จะทำเครื่องจักรให้เป็นดุจนักกีฬาได้?
เราใช้สิ่งที่เรียกกว้างๆ ว่า การออกแบบ โดยอ้างอิงแบบจำลอง (model-based design)
ขั้นแรก เราจำลองกฎทางฟิสิกส์ด้วย แบบจำลองคณิตศาสตร์
ที่ควบคุมพฤติกรรมของเครื่องจักร
เราใช้คณิตศาสตร์สาขาหนึ่งที่เรียกว่า
ทฤษฎีควบคุม (control theory) เพื่อวิเคราะห์แบบจำลองพวกนี้
และเพื่อสร้างอัลกอริทึมสำหรับควบคุมพวกมัน
ตัวอย่างเช่น การทำให้ควอดลอยอยู่นิ่งๆ
ขั้นแรก เราต้องจำลองหลักพลศาสตร์
ด้วยชุดของสมการเชิงอนุพันธุ์
จากนั้นเราจึงปรับเปลี่ยนสมการเหล่านี้
โดยใช้ทฤษฎีควบคุม มาช่วยสร้างอัลกอริทึมเพื่อคุมควอดให้บินนิ่งๆ
ผมจะแสดงให้ดูถึงพลังของวิธีนี้
สมมติว่า เราต้องการให้เจ้าควอดนี่ไม่เพียงแค่ลอยนิ่งๆ
แต่ยังต้องเลี้ยงแท่งไม้นี้ด้วย
ถ้าได้ฝึกฝนนิดหน่อย
มนุษย์เราก็ทำอย่างนี้ได้ไม่ยาก
แม้ว่าเราจะได้เปรียบ
ที่มีเท้าทั้งสองยืนบนพื้น
และสามารถใช้มืออันคล่องแคล่วของเรา
แต่มันจะเริ่มยากขึ้นเล็กน้อย
ถ้าผมยืนด้วยขาเพียงข้างเดียว
และไม่ใช้มือ
ให้สังเกตนะครับว่า ตรงปลายแท่งไม้นี้มีตัวสะท้อนแสงอยู่ด้านบน
ทำให้ควอดระบุตำแหน่งของแท่งไม้ในอากาศได้
(เสียงปรบมือ)
คุณจะสังเกตเห็นได้ว่า เจ้าควอดนี้ค่อยๆ ปรับตำแหน่ง
เพื่อให้แท่งไม้สมดุล
เราออกแบบอัลกอริทึมให้ควอดทำอย่างนี้ได้อย่างไร
เราได้เพิ่มแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของแท่งไม้
เข้าไปในแบบจำลองของควอด
เมื่อเรามีแบบจำลองระบบรวม ของทั้งควอดและแท่งไม้แล้ว
เราสามารถใช้ทฤษฎีควบคุม สร้างอัลกอริทึมเพื่อควบคุมมันได้
คุณจะเห็นว่ามันเสถียร
และแม้ว่าผมจะผลักมันเบาๆ
มันก็จะกลับไปตำแหน่งสมดุลอีก
นอกจากนี้ เรายังเพิ่มเติมแบบจำลอง ให้รวมถึง
ตำแหน่งที่เราต้องการให้มันอยู่ในอากาศ
โดยใช้แท่งไม้อันนี้ ซึ่งมีเครื่องหมายสะท้อนแสงเช่นกัน
ผมสามารถชี้ไปยังตำแหน่งที่ผมอยากให้ควอดบินไป
ซึ่งเป็นระยะห่างคงที่จากตัวผม
หัวใจสำคัญของกายกรรมผาดโผนนี้คืออัลกอริทึม
ซึ่งออกแบบโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์
และทฤษฎีควบคุม
เราลองสั่งให้ควอดบินกลับมานี่ก่อน
แล้วปล่อยแท่งไม้ลง
ถัดไป ผมจะแสดงให้เห็นความสำคัญ
ของการทำความเข้าใจแบบจำลองทางกายภาพ
และการทำงานของโลกทางกายภาพ
โปรดสังเกตว่าควอดเครื่องนี้ลอยต่ำลง
เมื่อผมเอาแก้วที่ใส่น้ำนี้วางบนตัวมัน
ไม่เหมือนการเลี้ยงไม้ เพราะว่าผมไม่ได้ใส่
แบบจำลองคณิตศาสตร์ของแก้วน้ำนี้ในระบบ
และที่จริง ระบบไม่รู้เลยด้วยซ้ำว่ามีแก้วน้ำอยู่ตรงนั้น
และเหมือนเมื่อกี้นี้ ผมสามารถใช้แท่งไม้นี้ชี้บอกให้ควอด
เคลื่อนไปยังที่ที่ผมต้องการในอากาศ
(เสียงปรบมือ)
เอาล่ะ คุณคงจะถามตัวเอง
ว่าทำไมน้ำไม่หกออกจากแก้ว
นั่นเป็นเพราะข้อเท็จจริงสองข้อ: ข้อแรกคือแรงโน้มถ่วง
มีแรงกระทำต่อวัตถุทั้งหลายเหมือนๆ กัน
ข้อสองคือ ใบพัดทุกใบล้วนชี้ไป
ในทิศทางเดียวกันกับแก้ว คือชี้ขึ้น
คุณผนวกทั้งสองสิ่งเข้าด้วยกัน ผลก็คือ
แรงกระทำด้านข้างที่มีต่อแก้วนั้นน้อยมาก
และส่วนใหญ่ก็ถูกกำหนดด้วยแรง ของอากาศพลศาสตร์
ซึ่งที่ความเร็วนี้ ก็จะมีแรงน้อยมากจนแทบไม่รู้สึก
คุณจึงไม่จำเป็นต้องเขียนอัลกอริทึม แบบจำลองของแก้ว
ยังไงน้ำก็ไม่หกไม่ว่าควอดจะทำอะไร
(เสียงปรบมือ)
บทเรียนที่ได้ก็คือ งานที่มีประสิทธิภาพสูงบางอย่าง
ทำง่ายกว่างานอื่นๆ
และความเข้าใจหลักฟิสิกส์ของปัญหานั้นๆ
จะบอกคุณว่าปัญหาไหนง่าย และปัญหาไหนยาก
ในตัวอย่างนี้ การแบกแก้วน้ำถือว่าเป็นงานง่าย
การเลี้ยงแท่งไม้ถือว่ายาก
เราล้วนเคยได้ยินเรื่องราวของนักกีฬา
ที่แสดงฝีมือได้เต็มที่ทั้งที่ร่างกายบาดเจ็บ
แล้วเครื่องจักรจะสามารถทำเช่นเดียวกัน
หากเกิดความเสียหายรุนแรงทางกายภาพได้หรือไม่?
ภูมิปัญญาแบบดั้งเดิมกล่าวว่า
คุณต้องใช้ใบพัดอย่างน้อย 4 คู่เพื่อที่จะบินได้
เนื่องจากมีสี่องศาอิสระในการควบคุม:
ม้วน เงย หัน และเร่ง
เฮกซาคอปเตอร์ และ ออคโตคอปเตอร์ มีหกและแปดใบพัด
ที่ทำงานซ้ำซ้อนหรือแทนกันได้
แต่ควอดคอปเตอร์นั้นได้รับความนิยมกว่ามาก
เพราะพวกมันมีจำนวนใบพัดน้อยที่สุด
นั่นคือใบพัดแบบมอเตอร์อยู่กับที่ 4 คู่
จริงหรือครับ?
ถ้าเราวิเคราะห์แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ของเครื่องจักรนี้
ที่เหลือใบพัดที่ทำงานได้เพียงแค่ 2 คู่
เราค้นพบวิธีแปลกใหม่ที่จะทำให้มันบินได้
เราเสียการควบคุมการหันไป
แต่ยังสามารถควบคุมการม้วน เชิด และเร่งได้อยู่
ด้วยอัลกอริทึมที่ใช้ประโยชน์จากรูปแบบใหม่นี้
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์บอกเราว่า เมื่อไหร่
และเหตุใดนี่จึงเป็นไปได้
ในกรณีนี้ ความรู้นี้ทำให้เราออกแบบ
โครงสร้างเครื่องจักรใหม่
หรือออกแบบอัลกอริทึมที่ฉลาด พร้อมจัดการกับความเสียหาย
เหมือนที่มนุษย์นักกีฬาทำได้
แทนที่จะสร้างเครื่องจักร ที่มีอุปกรณ์ซ้ำซ้อนเกินจำเป็น
เราลุ้นจนต้องกลั้นหายใจทุกครั้ง
เมื่อเราดูนักกระโดดน้ำตีลังกาลงน้ำ
หรือเมื่อนักกีฬายิมนาสติกกำลังบิดตัวกลางอากาศ
และกำลังเข้าใกล้พื้นอย่างรวดเร็ว
นักดำน้ำจะสามารถลงน้ำ โดยน้ำไม่กระเซ็นได้หรือไม่
นักยิมนาสติกจะลงพื้นอย่างมั่นคงได้หรือเปล่า?
สมมติว่า เราต้องการให้ควอดเครื่องนี้
ตีลังกาสามตลบ และจบลง
ณ จุดเดียวกับที่มันเริ่มต้น
การเคลื่อนไหวนี้จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก
จนเราไม่สามารถใช้ข้อมูลป้อนกลับเกี่ยวกับตำแหน่ง มาแก้ไขการเคลื่อนไหวระหว่างนั้นได้
มันมีเวลาไม่พอจริงๆ
ดังนั้น สิ่งที่ควอดจะทำได้คือบินเหมือนคนตาบอด
สังเกตว่ามันเคลื่อนไหวอย่างไร
แล้วใช้ข้อมูลนั้นเพื่อปรับเปลี่ยนพฤติกรรมของมัน
เพื่อให้มันตีลังกาครั้งต่อไปได้ดีขึ้น
คล้ายกับนักกระโดดน้ำและนักยิมนาสติกม้ากระโดด
ทำได้โดยการฝึกฝนซ้ำๆ กันเท่านั้น
จึงจะเรียนรู้และแสดงท่าทางการเคลื่อนไหว
ได้มาตรฐานสูงสุด
(เสียงปรบมือ)
การตีลูกบอลที่ลอยอยู่กลางอากาศ เป็นทักษะจำเป็นในกีฬาหลายๆ อย่าง
เราจะทำให้เครื่องจักรทำสิ่งที่
นักกีฬาทำได้ราวกับไม่ต้องใช้ ความพยายามเลย ได้อย่างไร?
(เสียงปรบมือ)
ควอดตัวนี้มีไม้แร็กเกตผูกติดเข้ากับหัวของมัน
มีจุดกลางหน้าไม้ประมาณขนาดของแอปเปิล ดังนั้นมันไม่ได้ใหญ่มาก
การคำนวณต่อไปนี้ กระทำทุกๆ 20 มิลลิวินาที
หรือ 50 ครั้งต่อวินาที
ขั้นแรก เราต้องคำนวณว่าลูกบอลจะไปทางไหน
จากนั้น ก็คำนวณว่า ควอด จะตีลูกบอลอย่างไร
เพื่อให้ลูกบอลลอยกลับไปยังตำแหน่งที่มันถูกโยนมา
ขั้นที่สาม เราคำนวณเส้นทางเพื่อนำพาควอด
จากจุดปัจจุบันไปยังจุดที่จะกระทบกับลูก
ขั้นที่สี่ เราดำเนินการตามกลยุทธ์ที่คำนวณมา ภายในระยะเวลาเพียง 20 มิลลิวินาที
อีก 20 มิลลิวินาทีให้หลัง กระบวนการทั้งหมดจะถูกทำซ้ำ
จนกว่าควอดจะตีโดนลูก
(เสียงปรบมือ)
เหล่าจักรกลไม่เพียงเคลื่อนตัวอย่างรวดเร็ว และคล่องแคล่วแบบฉายเดี่ยว
มันยังสามารถทำได้เป็นกลุ่มอีกด้วย
ควอดสามตัวนี้ทำงานร่วมกันเพื่อหามตาข่าย
(เสียงปรบมือ)
พวกมันเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วมาก
และเคลื่อนที่ร่วมกันเป็นทีม
เพื่อโยนบอลกลับมาให้ผม
ขอให้สังเกตว่า ที่ระยะยืดออกสุด ควอดเหล่านี้จะเอียงตัวอยู่ในแนวดิ่ง
(เสียงปรบมือ)
อันที่จริง เมื่อถึงระยะยืดออกสุด
แรงกระทำจะสูงเป็นห้าเท่า ของแรงที่นักกระโดดบันจี้จัมพ์รู้สึกได้
เมื่อดิ่งลงถึงจุดต่ำสุด
อัลกอริทีมที่ใช้ทำงานนี้คล้ายกับ
ที่ควอดเครื่องเดียวใช้ เพื่อตีบอลกลับมาที่ผม
แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ถูกใช้เพื่อปรับแผน
กลยุทธ์การร่วมมืออย่างต่อเนื่อง ที่ความเร็ว 50 ครั้งต่อวินาที
ทุกอย่างที่เราได้เห็นมานั้น
เกี่ยวกับเครื่องจักรและความสามารถของพวกมัน
จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราเอา ความคล่องแคล่วของเครื่องจักร
มาผนวกเข้ากับความสามารถของมนุษย์
ที่อยู่ตรงหน้าผมนี้คือเซนเซอร์เชิงพาณิชย์ สำหรับตรวจจับอิริยาบท
ส่วนใหญ่ใช้สำหรับเล่นเกมส์
มันรู้ได้ตลอดเวลาว่าร่างกายส่วนต่างๆ ของผม
กำลังทำอะไรอยู่
คล้ายกับไม้ชี้ที่ผมใช้ก่อนหน้านี้
เราสามารถใช้มันเพื่อป้อนข้อมูลเข้าระบบ
ตอนนี้เรามีวิธีแบบธรรมชาติของการโต้ตอบ
กับความคล่องแคล่วแบบนักกีฬาของควอดเหล่านี้ ด้วยท่าทางของผม
(เสียงปรบมือ)
การโต้ตอบไม่จำเป็นต้องผ่านโลกเสมือน แต่ผ่านทางกายภาพก็ได้
ดูควอดเหล่านี้เป็นตัวอย่าง
มันพยายามลอยอยู่นิ่งๆ ในอากาศ
ถ้าผมจับมันเคลื่อนที่ มันจะออกแรงขืน
และย้ายกลับไปจุดที่มันต้องการ
อย่างไรก็ตาม เราสามารถเปลี่ยนพฤติกรรมนี้ได้
เราสามารถใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์
มาประเมินแรงที่ผมกระทำกับควอดเครื่องนี้
เมื่อเรารู้ค่าแรงนี้ เราสามารถเปลี่ยนกฎของฟิสิกส์
กฏที่เกี่ยวกับควอดเท่านั้นนะครับ
ตอนนี้ ควอดนี้ทำตัวเหมือนมันกำลัง
อยู่ในของเหลวข้นๆ
ทีนี้เราก็มีวิธีการโต้ตอบกับควอด
ได้อย่างใกล้ชิด
ผมจะใช้ความสามารถใหม่นี้เพื่อจัดตำแหน่ง
ควอดที่ติดกล้องไว้เครื่องนี้ ให้อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม
เพื่อบันทึกวิดีโอส่วนที่เหลือของการสาธิตครั้งนี้
ดังนั้น เราสามารถโต้ตอบทางกายภาพกับควอดเหล่านี้
และเราสามารถเปลี่ยนกฎของฟิสิกส์ได้ด้วย
ลองมาสนุกกันสักเล็กน้อย
สำหรับสิ่งที่คุณจะเห็นถัดไป ควอดเหล่านี้
ในตอนแรกจะทำตัวราวกับว่า พวกมันอยู่บนดาวพลูโต
เมื่อเวลาผ่านไปแรงโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้น
จนกระทั่งเราทั้งหมดกลับสู่โลก
แต่ผมรับประกันว่าเราไปไม่ถึงจุดนั้นแน่ๆ
เอาหล่ะ เริ่มแล้วนะครับ
(เสียงหัวเราะ)
(เสียงปรบมือ)
วู้ว!
ตอนนี้พวกคุณทุกคนคงคิดว่า
พวกผมสนุกกันมากเกินไปแล้ว
และคุณคงกำลังถามตัวเอง
ว่าเราจะสร้างเครื่องจักรนักกีฬาเหล่านี้ไปทำไม
บางคนเดาว่าการเล่นกันของเหล่าสัตว์
คือการฝึกทักษะ และพัฒนาความสามารถ
บางคนคิดว่ามันมีบทบาททางสังคม
เพื่อให้สมาชิกในกลุ่มผูกพันกัน
ในทำนองเดียวกัน เราใช้อุปมาเรื่องกีฬา และความปราดเปรียวแบบนักกีฬา
เพื่อสร้างอัลกอริทึมใหม่สำหรับเครื่องจักร
เพื่อพัฒนาความสามารถของมัน ไปให้ไกลที่สุดเท่าที่จะทำได้
แล้วความเร็วของเครื่องจักร ส่งผลอะไรต่อวิถีชีวิตของคุณบ้าง?
เช่นเดียวกับการสร้างสรรค์ และประดิษฐกรรมต่างๆ ในอดีต
มันอาจถูกนำไปใช้เพื่อปรับปรุงการใช้ชีวิตของมนุษย์
หรืออาจถูกนำไปใช้ในทางที่ผิดก็ได้
นี่ไม่ใช่การตัดสินใจทางเทคนิค
แต่เป็นการตัดสินใจทางสังคม
เราต้องเลือกนำเครื่องจักรไปใช้ในทางที่ถูก
เลือกทางที่จะดึงความสามารถที่ดีที่สุด ของเครื่องจักรในอนาคตออกมา
เฉกเช่นทักษะและความปราดเปรียวในเชิงกีฬา
ที่สามารถดึงเอาส่วนที่ดีที่สุดของเราออกมา
ผมขอแนะนำกลุ่มพ่อมดที่อยู่หลังม่านเขียวครับ
พวกเขาคือสมาชิกปัจจุบันของกลุ่มวิจัย ฟลายอิ้ง แมชชิน อารีน่า (Flying Machine Arena)
(เสียงปรบมือ)
เฟเดอริโก อูกลิอาโร (Federico Augugliaro), ดาริโอ เบรสชินินิ (Dario Brescianini), มาร์คัส เฮน (Markus Hehn)
เซอร์กี ลูปาชิน (Sergei Lupashin) มาร์ มุลเลอร์ (Mark Muller) และ โรบิน ริทซ์ (Robin Ritz)
จำพวกเขาไว้ให้ดีนะครับ พวกเขาจะสร้างสิ่งที่ยิ่งใหญ่ในอนาคตครับ
ขอบคุณครับ
(เสียงปรบมือ)