ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

หุ่นยนต์จิ๋วร่อนลม

เล็กที่สุดที่มนุษย์เคยสร้าง

 

มองเผินๆ นึกว่าเม็ดทราย แต่ที่ไหนได้ ดันกลายเป็นหุ่นยนต์!

หลายคนอาจจะจินตนาการไปไกลถึงนาโนไมต์ จากภาพยนตร์ GI Joe หรือหุ่นนาโนบอต (nanobot) รักษาโรคจากนิยายวิทยาศาสตร์ แต่นี่ยังไม่ซับซ้อนถึงขนาดนั้นครับ

แต่แม้จะไม่เว่อร์วังขนาดหุ่นในนิยาย แต่หุ่นจิ๋วร่อนลม “ไมโครไฟลเออร์ (Microflier)” ก็ใช่จะเบา เพราะเพิ่งจะเปิดตัวไปอย่างอลังการ ระดับขึ้นปกวารสารวิทยาศาสตร์ชื่อดัง เนเจอร์ (Nature) ไปเมื่อวันที่ 23 กันยายน 2564 ที่ผ่านมา

ไมโครไฟลเออร์ คือโครงสร้างบินได้ที่เล็กจิ๋วที่สุดที่มนุษย์เคยสร้าง

มีขนาดเพียงแค่เม็ดทราย หรือราวๆ 1 มิลลิเมตรเท่านั้น

ศาสตราจารย์จอห์น โรเจอร์ส (John A Rogers) หัวหน้าทีมวิศวกร จากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น (Northwestern University) เผยว่าพวกเขาได้แรงบันดาลใจมาจากโครงสร้างร่อนลมของเมล็ดพืชที่พบเห็นกันได้ทั่วๆ ไป (ในประเทศสหรัฐอเมริกา) อย่างเมเปิล และต้นไม้ในตระกูล Tristellateia – แอบคิดว่าถ้ามาพัฒนาในไทย ไม่แน่ว่าจอห์นอาจจะได้ดีไซน์หุ่นยนต์แบบใหม่จากลูกยางนา

เมล็ดมีปีก คือ กลยุทธ์ในการอยู่รอดของพืชที่ถูกคัดสรรมาผ่านกระบวนการทางวิวัฒนาการเพื่อที่จะกระจายเมล็ดพันธุ์พืชให้ลอยลมออกไปให้ได้พื้นที่กว้างไกลมากที่สุด เพื่อการขยายเผ่าพันธุ์ ซึ่งโครงสร้างและมุมที่เหมาะสมของปีกจะช่วยให้เมล็ดสามารถลอยติดลมบนได้นาน

จอห์นศึกษาโครงสร้างเมล็ดพืช พร้อมทั้งกลไกการร่อนลมของพวกมันในทางอากาศพลศาสตร์ (aerodynamics) อย่างละเอียดก่อนจะออกแบบหุ่นจิ๋วไมโครไฟลเออร์ขึ้นมา ผ่านการจำลองแบบในคอมพิวเตอร์

ดังนั้น ขนาดแม้จะเล็กจิ๋วเท่าเม็ดทราย แต่สามารถล่องลอยอยู่ได้ในอากาศได้นาน อีกทั้งสามารถบินร่อนปลิวไปกับลมไปได้ไกลโข

“ผมคิดว่าเราชนะธรรมชาติ” จอห์นกล่าว “อย่างน้อยก็ในมุมแคบๆ ที่ว่า เราสามารถสร้างโครงสร้างที่มีวิถีในการร่อนลมที่มั่นคง ด้วยอัตราเร็วปลายที่เชื่องช้ากว่าที่พบในเมล็ดพืชที่มีขนาดใกล้เคียงกัน”

แม้จะเล็ก แต่ภายใต้ปีกที่เหมาะสมอย่างยิ่งในการร่อนลมนั้น อัดแน่นไปด้วยนวัตกรรม ทั้งเซ็นเซอร์ ระบบสื่อสารที่สามารถส่งสัญญาณเชื่อมต่อข้อมูลจากฝูงหุ่นยนต์จิ๋วเข้าด้วยกันเป็นโครงข่ายเพื่อการวิเคราะห์ข้อมูลทางสิ่งแวดล้อม

อาจจะดีไซน์ให้เปลี่ยนสีได้เมื่อเจอกรดหรือด่างเพื่อการวัดการรั่วไหลของสารพิษ

หรืออาจจะนำไปใช้ในการเก็บข้อมูลปริมาณฝุ่นละออง PM 2.5 ไล่ลงมาเรื่อยๆ ในแต่ละความสูงของแต่ละระดับชั้นบรรยากาศ ซึ่งจะให้ข้อมูลมลพิษที่ละเอียดที่สุด ครบถ้วนที่สุด เท่าที่เคยมีมา

นอกจากนี้ ยังสามารถช่วยติดตามการปนเปื้อนและตกค้างของสารเคมีที่อาจจะเกิดจากเหตุไม่คาดฝัน

เช่น ติดตามสารพิษที่กระจายเป็นวงกว้างจากเหตุไฟไหม้โรงงานสารเคมี

หรือแม้แต่การกระจายของสารปนเปื้อนจากการรั่วไหลของแท่นขุดเจาะน้ำมันกลางทะเลก็ยังทำได้

แน่นอนว่าเขาไม่ได้คิดจะโปรยหุ่นจิ๋วทีละตัวลงมาจากฟากฟ้า แต่กะจะปล่อยทีเป็นฝูงอาจจะหลายหมื่นหลายแสนตัวในคราวเดียว ลองจินตนาการหุ่นจิ๋วนับแสนที่ถูกปล่อยลงมาจากโดรน ค่อยๆ หมุนติ๋ว ปลิวไปกับสายลม เก็บข้อมูลสถานการณ์สิ่งแวดล้อม มลพิษ และสารปนเปื้อนตกค้างต่างๆ ที่อาจจะส่งผลกับมนุษย์ เพื่อที่พวกเราจะได้หาวิธีจัดการกับปัญหาได้อย่างทันท่วงที

ดังนั้น ปัญหาที่สำคัญคือการอัปสเกลในการผลิตหุ่นยนต์จิ๋วไมโคลไฟลเออร์ให้มากพอที่จะเอาไปใช้ได้จริงในสภาพแวดล้อม

และถ้าสามารถใช้เทคโนโลยีการผลิตวงจรไฟฟ้าที่พบได้ทั่วไปในปัจจุบันได้ ประเด็นนี้ ก็จะไม่เป็นปัญหาอีกต่อไป

แต่โรงงานอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปมักจะเน้นการสร้างวงจรเป็นสองมิติ แบนๆ เท่านั้น การปรับการผลิตเพื่อให้โรงงานสามารถผลิตวงจรขนาดจิ๋วพร้อมปีกที่บิดเป็นรูปร่างสามมิติที่จำเพาะนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย จอห์นและทีมจึงต้องหาวิธีปรับการผลิตวงจรแบบเดิมๆ ให้มีสเต็ปพิเศษเพิ่มเติมเพื่อให้ขอบของวงจรบิดทำมุมเป็นปีก หรือเป็นใบพัดสำหรับร่อนลมให้ได้

จอห์นเผยว่าในขั้นตอนการปรับปรุงการผลิตนี้ เขาได้ไอเดียมาจากหนังสือป๊อปอัพสำหรับเด็ก เขาเริ่มดูหนังสือป๊อปอัพหลายๆ เล่ม และเริ่มคิดริเริ่มที่จะพัฒนายุทธวิธีในการผลิตโดยใช้วิธีการเดียวกับการบิดพับที่พบได้ทั่วไปในหนังสือป๊อปอัพ

เริ่มโดยการผลิตแผ่นวงจรด้วยวิธีทั่วไปออกมาเป็นวงจรสองมิติก่อน แล้วเอาแผ่นวงจรที่ได้ไปยึดติดกับแผ่นโพลิเมอร์ยืดหยุ่นที่เรียกว่าอิลาสโตเมอร์ (elastomer) และเมื่อแผ่นอิลาสโตเมอร์เริ่มขยายตัว ก็จะดึงให้ปีกเริ่มบิดเป็นมุมตามที่ต้องการได้ และด้วยอัตราการขยายตัวที่จำเพาะของอิลาสโตเมอร์ มุมของปีก็จะบิดในรูปแบบเดิมทุกครั้ง กับทุกวงจร

การผลิตแบบอิงฐานการผลิตเดิมแบบนี้นอกจากจะช่วยประหยัดเวลาแล้วยังช่วยในการลดต้นทุนในการผลิตหุ่นจิ๋วอีก

ตอนนี้สนนราคาต้นทุนต่อตัว ยังแทบไม่ถึงหนึ่งเพนนีเลยด้วยซ้ำ…

 

แต่แม้ว่าจอห์นจะสามารถพิสูจน์แนวคิดมากมายในเปเปอร์ของเขาทั้งตรวจจับฝุ่นละออง ทั้งเช็คความเป็นกรดด่าง แต่ทุกอย่างที่ทำก็ยังเป็นแค่การทดลองในห้องแล็บ ดังนั้น แม้จะมีเปเปอร์ออกมาสวยหรูในวารสารชั้นนำ แต่ก็ยังต้องยอมรับว่า นี่เป็นแค่การพิสูจน์หลักการ (proof of concept) เท่านั้น เพราะยังไมได้ลงไปทดลองในสถานที่จริง

ในอนาคต จอห์นวางแผนไว้แล้วว่าเขาจะลองปล่อยหุ่นยนต์จิ๋วไมโครไฟลเออร์นับพันตัวจากโดรน เพื่อตรวจจับโลหะหนักอย่างแคดเมียม ตะกั่วหรือปรอท และหากในพื้นที่ที่มันตกลงไปมีโลหะหนักปนเปื้อนอยู่ พวกหุ่นจะเปลี่ยนสี ไปตามโลหะหนักที่เจอ

แล้วใช้โดรนบินเก็บข้อมูลภาพความละเอียดสูงในพื้นที่ ข้อมูลสีที่ได้จะถูกนำมาวิเคราะห์อย่างละเอียดเพื่อหาระดับการปนเปื้อนของโลหะหนักเป็นพิษเหล่านั้น

และถ้าปล่อยหุ่นออกไปเป็นหลักพัน หลักหมื่น คงยากที่จะมานั่งไล่ตามเก็บมันทีละตัว จอห์นจึงมีแผนที่จะพัฒนาหุ่นยนต์จิ๋วรุ่นใหม่ขึ้นมาจากโพลิเมอร์ที่สามารถย่อยสลายได้เองตามธรรมชาติ พอเก็บข้อมูลเสร็จ ส่งต่อข้อมูลเรียบร้อย เวลาร่วงลงดินไปแล้ว ตัวหุ่นเองก็จะค่อยๆ ถูกย่อยสลายให้เปื่อยและจางหายเองไปในธรรมชาติ ไม่ทิ้งเศษซากไว้สร้างปัญหาให้สิ่งแวดล้อม

“เราเข้าใจดีว่าการเก็บกลับหุ่นไมโครไฟลเออร์จำนวนมากจากสิ่งแวดล้อมนั้นคงเป็นเรื่องที่ยาก เพื่อแก้ข้อกังวลนี้ หุ่นเวอร์ชั่นใหม่ที่พัฒนาขึ้นมาจะสามารถค่อยๆ ย่อยสลายไปได้เองในธรรมชาติ”

ซึ่งไอเดียในเรื่องของวัสดุที่ใช้ ก็จะเป็นไปในแนวทางเดียวกันกับงานวิจัยและพัฒนาวงจรเครื่องกระตุ้นไฟฟ้าหัวใจ (pacemaker) แบบชั่วคราวที่สามารถย่อยสลายได้เองโดยไม่ทิ้งของเสียสารพิษอันตรายใดๆ ไว้ในตัวผู้ป่วย

ซึ่งงานนั้นก็เพิ่งจะตีพิมพ์ไปในวารสารเนเจอร์ไบโอเทคโนโลยี ซึ่งที่จริงก็เป็นงานที่มาจากทีมวิจัยของจอห์นอีกเช่นกัน

 

แม้ว่าจะยังมีข้อกังขาในเรื่องการใช้งานเทคโนโลยีว่าจะเอามาใช้ในการตรวจวัดคุณภาพสิ่งแวดล้อม และติดตามสถานภาพในการบำบัดสารปนเปื้อนได้จริงหรือไม่ และประสิทธิภาพจะคุ้มค่าสมควรแก่การลงทุนหรือเปล่า

เทคโนโลยีนี้ก็ยังน่าจับตามองอยู่ดีสำหรับนักลงทุน เพราะนอกจากการประยุกต์ใช้ในทางสิ่งแวดล้อมแล้ว

อีกสายหนึ่งที่เทคโนโลยีแนวๆ นี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างแยบยลก็คือกลาโหม

เอาเป็นว่า ถ้าเทคโนโลยีนี้ยังถูกพัฒนาต่อไป ไม่แน่ว่าอีกไม่นานเราอาจจะมีหุ่นยนต์จิ๋วร่อนลมมาขายเพื่อช่วยตรวจวัดและ (อาจจะ) ช่วยกำจัดอนุภาค PM 2.5 ที่คอยย้อนกลับมาเป็นปัญหาระคายจมูกให้กับพวกเราอยู่ทุกปีก็เป็นได้