กลไกทางวิทยาศาสตร์ของดวงตาแมวช่วยพัฒนาเทคโนโลยีกล้องหุ่นยนต์รุ่นใหม่อย่างไร

ขณะที่เพอร์ซี ชอว์ กำลังขับรถกลับบ้านในคืนที่หมอกลงจัดเมื่อปี 1933 พอเขาเห็นแสงไฟปรากฏขึ้นที่ริมทาง เขาจึงต้องหยุดรถกะทันหัน

ว่ากันว่านั่นคือแมวตัวหนึ่งซึ่งดวงตาของมันสะท้อนแสงไฟหน้ารถแล้วสาดแสงนั้นกลับมาหาเขาโดยตรง

"มันเป็นเรื่องของความบังเอิญล้วน ๆ ค่ะ" เกลนดา ชอว์ หลานสาวของเพอร์ซีกล่าวกับรายการพอดแคสต์ชื่อ "วิตเนสส ฮิสทรี (Witness History) ของบีบีซีเมื่อปี 2022

"เขาเห็นเงาสะท้อนบางอย่างที่ทำให้เขาต้องหยุดรถ และเมื่อมองดูดี ๆ ก็พบว่าตัวเองขับอยู่ผิดฝั่งของถนน ถ้าเขาขับตรงต่อไป เขาคงพุ่งตกลงไปที่หน้าผาแล้ว"

เหตุการณ์ในครั้งนั้นไม่เพียงแต่ช่วยชีวิตเขาไว้เท่านั้น แต่ยังถือเป็นจุดเริ่มต้นที่สร้างแรงบันดาลใจให้ชอว์คิดค้นหมุดถนนสะท้อนแสงสำหรับตีเส้นจราจร ซึ่งเป็นที่รู้จักกันทั่วไปในสหราชอาณาจักรบ้านเกิดของเขาในชื่อ "Cat's eyes" (ตาแมว)

ในช่วงที่ชอว์เสียชีวิตในปี 1976 มีการผลิตอุปกรณ์สะท้อนแสงบนถนนแบบ "แคทส์อาย" (cat's eyes) ไปแล้วราว 15 ล้านชิ้น ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวและรูปแบบที่ดัดแปลงมาจากต้นแบบเดิมยังคงมีการใช้งานอยู่บนท้องถนนทั่วโลกมาจนถึงปัจจุบัน

เหลนสาวของชอว์เล่าว่าเขาคิดค้นสิ่งประดิษฐ์นี้ขึ้นมาด้วยวิธีการ "ลองผิดลองถูก"

"เขาไม่มีความรู้เรื่องฟิสิกส์ การสะท้อน การหักเหของแสง หรือเรื่องมุมต่าง ๆ เลย" เธอกล่าว "เขาแค่คิดค้นและทำมันขึ้นมาด้วยตัวเอง"

แม้ว่าการออกแบบของเขาจะไม่ได้อิงตามโครงสร้างดวงตาของแมวโดยตรง แต่ชอว์ก็พยายามจำลองลักษณะการสะท้อนแสงที่เขาเห็นในคืนนั้นขึ้นมาใหม่โดยใช้ลูกปัดแก้ว

ตาของแมวเรืองแสงได้อย่างไร

อย่างไรก็ตาม ดวงตาของแมวดูเหมือนจะเรืองแสงได้ในความมืดเนื่องจากมีชั้นเนื้อเยื่อที่สะท้อนแสงอยู่ด้านหลังจอประสาทตา ซึ่งเรียกว่า "ทาเพตัม ลูซิดัม" (tapetum lucidum)

เบรดี ฟูต สัตวแพทย์ผู้เชี่ยวชาญด้านจักษุวิทยาและรองศาสตราจารย์ทางคลินิกแห่งมหาวิทยาลัยเทนเนสซี อธิบายว่า นี่เป็นโครงสร้างพิเศษที่มนุษย์ไม่มี

ชั้นสะท้อนแสงนี้ซึ่งมีชื่อเรียกในภาษาละตินที่แปลว่า "ผืนผ้าทออันสว่างไสว" ทำหน้าที่เสมือนกระจกเงาภายในดวงตาของแมว ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการมองเห็นในสภาวะแสงน้อยสำหรับการล่าเหยื่อในเวลากลางคืน โดยช่วยให้ดวงตาสามารถรับแสงได้อีกครั้งไม่เช่นนั้นจะสูญเสียไป

"ทุกครั้งที่ลำแสงไม่ตกกระทบกับเซลล์รับแสง มันจะถือว่าเป็นลำแสงที่สูญเปล่า" ฟูตกล่าว แต่ในบริเวณดวงตาที่มีชั้นสะท้อนแสงที่เรียกว่า 'ทาเพตัม ลูซิดัม' (tapetum lucidum) แสงจะสะท้อนกลับจากชั้นดังกล่าวและสามารถไปตกกระทบกับเซลล์รับแสงอีกเซลล์หนึ่งได้

"สาเหตุที่... ดวงตาดูเหมือนจะส่องประกายสะท้อนกลับมาหาคุณอย่างเจิดจ้านั้น เป็นเพราะรูม่านตาจะขยายกว้างมากในเวลากลางคืนที่มีแสงน้อย" ฟูตอธิบาย ซึ่งทำให้แสงที่สะท้อนอยู่ภายในบางส่วนสามารถสะท้อนออกมาภายนอกได้เช่นกัน

สีของแสงสะท้อนนี้จะแตกต่างกันไปในแมวแต่ละตัว ตั้งแต่สีส้มและสีเหลืองไปจนถึงสีเขียว ซึ่งขึ้นอยู่กับเม็ดสีในเนื้อเยื่อของพวกมัน

อย่างไรก็ตาม แมวไม่ใช่สัตว์เพียงชนิดเดียวที่มีชั้นสะท้อนแสงนี้ จึงไม่น่าแปลกใจที่คุณอาจสังเกตเห็นดวงตาของสัตว์ชนิดอื่นเรืองแสงได้เช่นกัน

"ทั้งสุนัข แมว ม้า และวัว ต่างก็มีชั้นสะท้อนแสงที่เรียกว่า 'ทาเพตัม' (tapetum) นี้ด้วยกันทั้งสิ้น" เธอกล่าว

กล้องตาแมว

หลายทศวรรษหลังจากมีสิ่งประดิษฐ์ของชอว์ ปัจจุบันวิศวกรยุคใหม่ได้นำโครงสร้างทางกายวิภาคของดวงตาแมวมาเป็นแรงบันดาลใจในการพัฒนาเทคโนโลยีกล้องถ่ายภาพขั้นสูง สำหรับนำไปใช้ในหุ่นยนต์ โดรน และยานยนต์ไร้คนขับ

ยัง มิน ซอง ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูงแห่งเกาหลี (Korea Advanced Institute of Science & Technology - KAIST) ต้องการสร้างกล้องที่สามารถทำงานได้ในสภาพแสงที่หลากหลาย รวมถึงสามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีความซับซ้อนและเต็มไปด้วยสิ่งกีดขวางได้

ในการดำเนินการดังกล่าว ขั้นแรกเขาพยายามเลียนแบบโครงสร้าง "ทาเพตัม ลูซิดัม" (tapetum lucidum) ของดวงตาแมว

ในแมวจริง ๆ โครงสร้างนี้ประกอบด้วยเซลล์ที่มีผลึกรูปแท่งของสารเคมีจำพวกไรโบฟลาวินและสังกะสี ซึ่งเรียงตัวกันในลักษณะที่ช่วยสะท้อนแสง

ศ.ซองกล่าวว่าการจำลองโครงสร้างระดับนาโนดังกล่าวด้วยวิศวกรรมเคมีนั้นทำได้ยากเกินไป ทีมวิจัยจึงหันไปใช้วัสดุเงินที่มีคุณสมบัติสะท้อนแสงสูงติดตั้งไว้ด้านหลังเซ็นเซอร์รับภาพเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนแสงเทียม ซึ่งวิธีนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดกลืนแสงที่มองเห็นได้ของกล้องได้ถึง 52%

จากนั้น ศ.ซองได้หันไปพิจารณาลักษณะเด่นอีกประการหนึ่งของดวงตาแมว นั่นคือรูม่านตาที่มีลักษณะเป็นช่องแคบแนวตั้งซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่ออยู่ในที่ที่มีแสงสว่างจ้า

งานวิจัยชี้ว่าลักษณะดังกล่าวอาจช่วยให้แมวสามารถกะระยะทางได้แม่นยำขึ้น ทำให้พวกมันมองเห็นเหยื่อที่ซุ่มซ่อนอยู่ท่ามกลางสภาพแวดล้อมที่รกชัฏไปด้วยพืชพรรณต่าง ๆ ได้อย่างชัดเจน

ศ.ซองจึงคิดขึ้นมาว่า "หากผมพัฒนาเลนส์กล้องที่จำลองลักษณะรูม่านตาแนวตั้งของแมวขึ้นมา มันก็น่าจะมีประโยชน์ในการตัดสัญญาณรบกวนจากฉากหลังออกไป ทำให้เราสามารถมองเห็นวัตถุเป้าหมายได้อย่างชัดเจน"

ปัจจุบันระบบคอมพิวเตอร์วิทัศน์ (computer vision) สามารถแยกวัตถุออกจากฉากหลังที่ซับซ้อนได้แล้ว เช่นเดียวกับโหมดถ่ายภาพบุคคล (Portrait mode) ในสมาร์ทโฟนที่ช่วยเบลอฉากหลังของตัวแบบ แต่กระบวนการดังกล่าวก็มักต้องอาศัยพลังในการประมวลผลสูงมาก

แนวคิดของ ศ.ซองคือการผนวกความสามารถดังกล่าวเข้าไปในตัวกล้องโดยตรง ด้วยการออกแบบรูรับแสง (ช่องเปิดในเลนส์ที่ยอมให้แสงผ่านไปยังเซ็นเซอร์) ให้มีรูปทรงแนวตั้งคล้ายกับรูม่านตาของแมว

เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ ทีมงานของ ศ.ซองได้ถ่ายภาพวัตถุที่มีฉากหลังรกตาโดยใช้ทั้งรูรับแสงทรงกลมแบบปกติและรูรับแสงทรงแนวตั้ง

เมื่อใช้รูรับแสงทรงกลม ทั้งตัววัตถุและฉากหลังที่รกตาต่างก็ยังคงมีความคมชัด แต่เมื่อใช้รูรับแสงทรงแนวตั้ง ภาพวัตถุที่ได้กลับมีความคมชัดโดดเด่นกว่าอย่างเห็นได้ชัด

ปัจจุบันการปรับเปลี่ยนรูรับแสงยังต้องทำด้วยมือ แทนที่จะปรับเปลี่ยนโดยอัตโนมัติให้เหมาะสมกับระดับแสงเหมือนกับดวงตาของแมว ซึ่งถือเป็นโจทย์ท้าทายที่ ศ.ซองต้องการจะแก้ไขให้สำเร็จในอนาคต

ดวงตาแบบอื่น ๆ ที่น่าเลียนแบบมีหรือไม่

นอกเหนือจากกล้องที่ได้รับแรงบันดาลใจจากดวงตาของแมวแล้ว ศ.ซองและคณะยังได้พัฒนากล้องอีกหลายรุ่นโดยอาศัยโครงสร้างดวงตาของสัตว์ชนิดอื่น ๆ และเขายังเชื่อว่ายังมีโอกาสอีกมากในการสร้างสรรค์การออกแบบใหม่ ๆ นับร้อยรูปแบบที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

"แมลงวันมีดวงตาที่โปนออกมาและสามารถมองเห็นได้รอบทิศทางในคราวเดียว" เขากล่าวถึงผลงานการออกแบบกล้องที่เลียนแบบดวงตาของแมลงวันเมื่อปี 2013 ซึ่งเป็นช่วงที่เขาทำงานอยู่ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์แบนา-แชมเพน

"มันมีมุมมองภาพที่กว้างมากและสามารถจำแนกวัตถุได้อย่างรวดเร็ว" ซึ่งเขาบอกว่าเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการนำไปใช้กับโดรนหุ่นยนต์

เช่นเดียวกับกล้องอีกรุ่นหนึ่งที่พัฒนาขึ้นโดยห้องปฏิบัติการของเขา ซึ่งจำลองการทำงานมาจากดวงตาของนกอินทรี กล้องชนิดนี้จะเก็บภาพที่คมชัดและขยายใหญ่บริเวณกึ่งกลางของมุมมอง ในขณะเดียวกันก็ยังสามารถเก็บภาพมุมกว้างที่มีความละเอียดต่ำกว่าในส่วนรอบนอกได้ด้วย

"คุณสามารถพิจารณาได้ว่าสัตว์ชนิดใดน่าจะเหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานในแต่ละรูปแบบ" เขากล่าว

ขณะนี้เขากำลังศึกษาวิจัยเกี่ยวกับแมงมุมกระโดด ซึ่งเขาระบุว่ามันมีระบบการมองเห็นที่โดดเด่นและเป็นเอกลักษณ์ที่สุดอย่างหนึ่งในธรรมชาติ

"พวกมันมีดวงตาทั้งหมด 8 ดวง ทั้งด้านหน้า ด้านข้าง และแม้แต่ด้านหลัง ทำให้สามารถมองเห็นได้รอบทิศทาง ในขณะเดียวกันสำหรับดวงตาคู่หน้า พวกมันยังสามารถรับรู้ระยะความลึกได้อย่างแม่นยำโดยใช้เพียงตาข้างเดียวเท่านั้น" ศ.ซองกล่าว

เขาอธิบายว่าแมงมุมเหล่านี้สามารถกะระยะทางได้อย่างแม่นยำสูงเนื่องจากมีโครงสร้างเรตินาแบบซ้อนชั้น ซึ่งช่วยให้พวกมันกระโดดได้อย่างแม่นยำโดยไม่พลาดเป้าหมาย

ศ.ซองกล่าวว่ากล้องที่สร้างขึ้นโดยอาศัยหลักการเดียวกันนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูงในการวัดระยะทางได้ เช่น ระบบนำวิถีขีปนาวุธ

แม้ว่าระบบกล้องสมัยใหม่ส่วนใหญ่ รวมถึงกล้องในโทรศัพท์ของคุณจะถูกออกแบบมาโดยเลียนแบบการทำงานของดวงตามนุษย์เป็นหลัก แต่ ศ.ซองกล่าวว่ากล้องที่ได้รับแรงบันดาลใจจากการมองเห็นของสัตว์นั้นอาจนำไปประยุกต์ใช้ในงานเฉพาะทางได้ เช่น "สำหรับหุ่นยนต์ งานภาคอุตสาหกรรม โดรน หรือระบบหุ่นยนต์ยุคใหม่รูปแบบอื่น ๆ"