พบมหัศจรรย์แห่งวิทยาศาสตร์กันชัดๆ มีร้อยขาจะเดินอย่างไรไม่ให้พันกัน ไปตามรอยกิ้งกือกับเยาวชนคนเก่งของไทยที่สร้างชื่อบนเวทีโลก ด้วยการทำงานแบบบูรณาการ ผนึกกำลังความเชี่ยวชาญหลายสาขา แนวทางการพัฒนาโลกยุคใหม่ที่โดนใจกรรมการ เก่งชีวะเลี้ยงกิ้งกือ ถนัดฟิสิกส์ทดลองสร้างสมการจำลองการเดิน แม่นเลขคำนวณสถิติ ผลได้แบบจำลองการเดินพัฒนาต่อเป็นหุ่นยนต์ได้
หลายคนคงได้รับทราบข่าวคราวความอัจฉริยะของนักเรียนไทย 3 คน ที่จำลองลักษณะการเดินของกิ้งกือด้วยสมการทางคณิตศาสตร์จนทำให้พวกเขาได้รับรางวัลชนะเลิศจากองค์กรระดับโลกอย่างซิกมา ไซ (Sigma Xi) เมื่อวันที่ 15 พ.ค. 47 เยาวชนคนเก่งของไทยทั้ง 3 คนคือ นายณัฐดนัย ปุณณะนิธิ กำลังศึกษาอยู่ในคณะแพทยศาสตร์ศิริราช มหาวิทยาลัยมหิดล นายภูมิยศ วิมลกิตติวัฒน์ กำลังศึกษาในคณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มาวิทยาลัย และนายจารุพล สถิรพงษะสุทธิ ที่ปัจจุบันได้รับทุนเล่าเรียนหลวงไปศึกษาต่อด้านคณิตศาสตร์ที่สหรัฐอเมริกา โดยผู้จัดการวิทยาศาสตร์ก็ได้มีโอกาสพูดคุยกับตัวแทน 2 คนคือณัฐดนัยและภูมิยศ
ขณะที่กำลังทำงานโครงงานพวกเขาเป็นนักเรียนระดับมัธยมศึกษาตอนปลายของ ร.ร.เตรียมอุดมศึกษา และได้นำโครงงานวิทยาศาสตร์ในหัวข้อ “เดินทางไปกับกิ้งกือ” (Walking with a Millipede) ไปประกวดในงาน อินเทล ไอเซฟ 2004 (Intel ISEF-International Science and Engineer fair2004) แล้วได้รับรางวัลที่มีชื่อว่า เดอะ เฟิร์ส อะวอร์ด ฟรอม ซิกมา ไซ (the First Award from Sigma Xi) ณัฐดนัยกล่าวว่าเหตุผลที่พวกเขาได้รับรางวัลเนื่องจากการทำงานที่มีลักษณะบูรณาการความรู้ในหลายสาขาวิชา ซึ่งเป็นแนวทางของงานวิจัยวิทยาศาสตร์ยุคใหม่
ทั้ง 3 คนมีความถนัดด้านวิชาการที่แตกต่างกัน ณัฐดนัยมีความถนัดทางด้านชีววิทยา ภูมิยศถนัดทางด้านฟิสิกส์ ส่วนจารุพลถนัดทางด้านคณิตศาสตร์ จุดเริ่มต้นของโครงงานมาจากความซนของณัฐดนัยที่จับกิ้งกือในสวนข้างห้องเรียนมาแกล้งเพื่อน และเมื่อวางกิ้งกือบนโต๊ะ ณัฐดนัยกับจารุพลก็เกิดสงสัยในลักษณะการเดินของกิ้งกือว่าต้องมีกลไกพิเศษที่ทำให้อยู่รอดได้และขาไม่พันกัน จึงคิดทำโครงงานขึ้น จากนั้นก็ชวนภูมิยศมาร่วมงาน โดยมีจารุพลเป็นหัวหน้าโครงการ
ในรายงานโครงงานอธิบายการเดินของกิ้งกือว่าในการเดินแต่ละขาจะก้าว และแต่ละก้าวก็มี 2 ช่วง โดยช่วงแรกเมื่อปลายขาสัมผัสพื้นจะเคลื่อนไปข้างหลังในขณะที่ตัวจะเคลื่อนไปข้างหน้า เรียกว่าช่วงโพรพัลซีฟ (propulsive stage) และช่วงที่สองเป็นจังหวะที่ขาเคลื่อนไปข้างหน้าในอากาศ เรียกว่าช่วงทรานเฟอร์ (transfer stage) ช่วงที่ขากิ้งกือสัมผัสพื้นจะนานกว่าช่วงที่ขาอยู่ในอากาศ และยิ่งขาสัมผัสพื้นนานจะยิ่งมีแรงส่งไปข้างหน้ามากขึ้น นอกจากนี้คู่ขาที่อยู่ทางด้านซ้ายและขวาของลำตัวจะอยู่ในเฟสเดียวกัน แต่ขาที่อยู่ด้านเดียวกันของลำตัวจะมีเฟสต่างกัน ซึ่งเป็นเหตุผลให้ขาของกิ้งกือไม่พันกันและเป็นคลื่นที่เรียกว่าคลื่นเมตาโครนอล (metachronal wave)
“ตอนแรกก็เริ่มจากสังเกตด้วยตาเปล่าก่อนแล้วก็ต้องไปค้นคว้าหาข้อมูล เพื่อดูว่าเราจะอธิบายการก้าวขาของกิ้งกือได้ยังไง ก็ไปเจอสมการทางคณิตศาสตร์ เขาเรียกกันว่าสมการไซคลอยด์ (cycloid) แต่กว่าจะเจอก็เหงื่อตก หรือกล่าวอีกแบบหนึ่งว่าเราจินตนาการวิธีการเดินของกิ้งกือด้วยสมการทางคณิตศาสตร์” ภูมิยศอธิบายว่าจินตนาการในที่นี้คือการสร้างแบบจำลองที่เป็นสมการทางคณิตศาสตร์ “จากนั้นก็ต้องมาแสดงด้วยการทดลองและบันทึกผลโดยการจับกิ้งกือมาเดินแล้ววัดค่าต่างๆ ที่ได้เมื่อกิ้งกือเดิน เช่น ความเร็ว ความถี่ของการแกว่งขา ความยาวคลื่น ความเร็วคลื่น” ภูมิยศกล่าว
ในการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีนั้นพวกเขาได้สร้างวงกลมอ้างอิง (The circle of reference) เพื่อจำลองการเดินของกิ้งกือในระนาบ ซึ่งมีตัวแปรคือ vwave(วีเวฟ) เป็นความเร็วคลื่นที่เกิดจากลักษณะการเดิน, vmillipede(วีมิลลิพีด)เป็นความเร็วของตัวกิ้งกือ, h(เอช) เป็นระยะสูงสุดที่ขากวาดขึ้นไปบนอากาศ, r (อาร์)คือรัศมีของวงกลมอ้างอิง และ θ (เธตา) เป็นมุมระหว่างปลายขากิ้งกือ และได้สร้างสันนิษฐานขึ้นมา 3 ข้อคือ 1.ขาของกิ้งกือแบ่งเป็นส่วนเดียว 2.ทุกๆ ขามีรูปแบบการเดินที่ไม่ซับซ้อน 3.ถ้าเราจับให้กิ้งกือหงายหลังลักษณะการเดินจะเป็นวงกลม แต่เมื่อกิ้งกือเดินบนพื้นตามปกติการเดินที่เป็นเหมือนกับวงกลมอ้างอิง
ภูมิยศเล่าว่าพวกเขาจับกิ้งกือให้เดินในท่อพลาสติกยาว 1 เมตร แล้วบันทึกภาพด้านท้องของกิ้งกือด้วยการถ่ายวิดีโอและจับภาพทีละเฟรม ดูภาพการก้าวขาเพื่อเปรียบเทียบกับสมการที่สร้างขึ้น ขั้นตอนนำภาพมาเทียบกับสมการนั้นอาศัยวิธีทางสถิติที่เรียกว่าการวิเคราะห์การถดถอย (regression analysis) เป็นการวิเคราะห์ว่าถ้ามีข้อมูลอยู่ชุดหนึ่ง และจะดูว่าข้อมูลมีแนวโน้มเป็นไปตามสมการที่มีอยู่มากน้อยเท่าไหร่ ณัฐดนัยอธิบายเสริมว่าพวกเขานำค่าที่ได้จากการวัด เช่น มุมระหว่างที่ขาทำกับแนวที่ตั้งฉากลำตัว ระบบพิกัด(x,y) เป็นต้น มาสร้างกราฟ แล้วใช้โปรแกรมแมธ แล็บ (math lab) ในการหาสมการที่ใกล้เคียงกับข้อมูลมากที่สุด
ก่อนหน้านี้พวกเขาได้ลองใช้โปรแกรมไมโครซอฟต์เอ็กซ์เซล(MS exel)แต่ไม่ได้ผลจึงเปลี่ยนมาใช้โปรแกรมแมธ แล็บ โปรแกรมนี้ช่วยหาค่าคงที่ของสมการให้ โดยพวกเขาได้ใส่สมการที่คิดว่าน่าจะเป็นสมการที่อธิบายการเดินของกิ้งกือได้ จากการคำนวณทำให้พวกเขาได้สมการระบุตำแหน่งขากิ้งกือในระบบพิกัด(x,y) เป็น
x = vmillipede(t-d/vwave) + r sin(kd-wt)
(เอ็กซ์ เท่ากับ เทอมของวีมิลลิพีดคูณค่าในวงเล็บ ที ลบ ดีส่วนวีเวฟ บวก เทอม อาร์ ไซน์ แคปปาดี ลบ โอเมกาที )
y = -r cos(kd - wt)
(วาย เท่ากับ ลบอาร์ คอส แคปปาดี ลบ โอเมกาที )
เมื่อ x (เอ็กซ์) คือตำแหน่งขากิ้งกือในแกน x (เอ็กซ์)
y (วาย) คือตำแหน่งขากิ้งกือในแกน y (วาย)
v (วี) คือความเร็วในการเคลื่อนที่ของกิ้งกือ (วี)
k (แคปปา)คือเลขคลื่น (wave number)
d (ดี) คือระยะห่างของขากิ้งกือที่อยู่ติดกัน
t (ที) คือเวลาใดๆ ที่พิจารณาตำแหน่งขา
ภูมิยศกล่าวว่าผลการทดลองของพวกแสดงค่าแนวโน้มเป็นไปตามสมการที่สร้างขึ้นประมาณ 85-90 % ซึ่งถือว่ามากและสามารถบอกได้ว่าสมการของพวกเขาสามารถนำไปอธิบายการเดินของกิ้งกือได้
“นอกจากเพื่อแสดงผลการทดลองของเราให้ชัดเจนและดึงดูดความสนใจ รวมทั้งยืนยันว่าสามารถนำไปใช้ได้จริง เราจึงทำแบบจำลองในคอมพิวเตอร์ ตอนแรกใช้ภาษาซีธรรมดา แต่ไปเจออาจารย์ซึ่งได้แนะนำให้เปลี่ยนมาเป็นเดลฟาย (delphi) การทำงานก็วาดรูปกิ้งกือ วาดขาให้เป็น 3 มิติ จากนั้นก็โปรแกรมให้กิ้งกือ(จำลอง)เดินไปตามสมการที่เราสร้างมา ก็ปรากฏว่าแบบจำลองเหมือนกับของจริง เราจึงสรุปได้อย่างมั่นใจว่า สมการของเราสามารถนำไปอธิบายการเดินของกิ้งกือได้ และยังนำไปประยุกต์ได้อีกด้วย” ภูมิยศกล่าวด้วยความมั่นใจ ณัฐดนัยกล่าวว่าสามารถนำไปพัฒนาเป็นหุ่นยนต์หรือยานพาหนะที่ใช้เดินบนพื้นผิวขรุขระอย่างดาวอังคารหรือหุ่นยนต์กู้ระเบิดเป็นต้น
“การแบ่งงานกันทำ พวกเรา 3 คนก็ถนัดไปคนละด้าน ฟ้า (จารุพล) ถนัดทางเลขก็รับผิดชอบสถิติ เกี่ยวกับสมการทั้งหลาย ตี๋ (ณัฐดนัย) ถนัดทางชีวะ ก็ดูแลกิ้งกือ หาข้อมูลทางชีววิทยาของกิ้งกือ แล้วตี๋ก็จะคอยทำบอร์ด ตี๋มีหัวศิลป์มากๆ ผมก็ทำเกี่ยวกับแบบจำลอง แล้วก็ทำทางด้านการทดลองเก็บข้อมูลซึ่งเป็นผลมาจากการทำแล็บฟิสิกส์ ขอขยายความต่อเกี่ยวกับฟิสิกส์ การทำปัญหาทางฟิสิกส์ต้องใช้จินตาการสูงเพื่อจำลองปัญหาให้อยู่ในวิสัยที่แก้ได้ง่าย จึงเป็นประโยชน์พอดีกับเรื่องกิ้งกือตรงที่ต้องทำแบบจำลอง แล้วก็ตรงการทดลองวัดค่าต่างๆ ซึ่งเหมือนการทำแล็บฟิสิกส์เป๊ะ” ภูมิยศกล่าว
“คือผมหาข้อมูลทางด้านชีวะจากหนังสือ ชีววิทยาของกิ้งกือ (Biology of Millipede) ซึ่งศึกษากายวิภาค (anatomy) ของกิ้งกือ รวมถึงการเลี้ยง อาหารที่กิ้งกือกิน ศึกษาว่ากิ้งกือเดินได้อย่างไร ดูจากระบบประสาท และข้อมูลทางชีวะจะช่วยในเรื่องการเลี้ยงเพราะทำการทดลองนาน ต้องเลี้ยงไว้ นอกจากนี้ส่วนมากคนที่มาดูงาน หรือเด็กๆ เค้าสนใจ ผมจึงต้องหาคำตอบให้เค้าได้ไงครับ” ณัฐดนัยกล่าวและเล่าต่อไปว่ากิ้งกือส่วนใหญ่ที่ใช้ในการทดลองหามาจากต่างจังหวัด มีระบบประสาทเหมือนพวกแมลง มีการส่งกระแสประสาทไปตามแนวลำตัวทำให้เห็นคลื่นเป็นช่วงๆ และเท่าที่สังเกตกิ้งกือแต่ละพื้นที่จะมีรูปแบบการเดินเหมือนกันแต่ช้าเร็วต่างกัน
นอกจากเยาวชนคนเก่งของไทยทั้ง 3 คนจะไปสร้างชื่อให้กับประเทศด้วยโครงงานดังกล่าวแล้ว แต่ละคนยังได้เข้าค่ายโอลิมปิกวิชาการในสาขาที่แต่ละคนถนัด โดยภูมิยศได้เป็นตัวแทนประเทศไปแข่งขันฟิสิกส์โอลิมปิกซึ่งก็ได้เหรียญเงินกลับมา ส่วนคนอื่นเป็นตัวสำรองแต่ณัฐดนัยก็กล่าวว่าการได้เข้าค่ายทำให้เขาได้รับความรู้มากมาย อีกทั้งยังเป็นการส่งเสริมให้เด็กที่มีความสามารถได้รับการพัฒนา ด้านอนาคตณัฐดนัยกล่าวว่าเขาต้องการจะเป็นหมอนิติเวชหรือหมอนักวิจัย เพราะอยากจะช่วยคนดีหรือคนบริสุทธิ์ที่ถูกกลั่นแกล้ง โดยมี คุณหญิง พญ.พรทิพย์ โรจนสุนันท์เป็นแบบอย่าง ส่วนภูมิยศตั้งใจไว้ว่าจะเรียนให้จบปริญญาเอก
เดินทางไปกับกิ้งกือภาคภาษาอังกฤษกัน (Walking with a Millipede in English Section)
