ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ

วิศวกรผู้ศึกษารอยเหี่ยวย่น

เพื่อหาไอเดียออกแบบหุ่นยนต์ยืดหยุ่น (2)

สิ่งหนึ่งที่ไม่พึงปรารถนาบนดวงหน้าของอิสตรี (และบุรุษ) ที่พิสมัยใบหน้าอันเยาว์วัยก็คือ “รอยเหี่ยวย่น”

หลายคนอาจถึงขั้นต้องไปหาหมอเพื่อขอฉีดโบทอกซ์คลายความเหี่ยวย่น เพิ่มความเต่งตึงดึ๋งเด้ง

แต่ทว่า สำหรับวงการวิศวกรรมหุ่นยนต์ ความเหี่ยวย่นที่บนผิวอาจแอบแฝงไว้ซึ่งดีไซน์ที่ทรงคุณค่า ที่สามารถลอกเลียนเอามาใช้ออกแบบและสร้าง “หุ่นยนต์ยืดหยุ่น (soft robot)” หรือที่บางคนเรียกว่าหุ่นยนต์นิ่มรุ่นใหม่ๆ ออกมาได้

เมื่อก่อนวิศวกรผู้สนใจหุ่นยนต์ยืดหยุ่นมักจะมองโครงสร้างกล้ามเนื้ออุทกสถิต (muscular hydrostat – โครงสร้างที่ประกอบไปด้วยกล้ามเนื้อ ไม่มีกระดูกแข็ง ค้ำจุนด้วยความดันของของเหลวภายใน ขยับได้ด้วยการยืดและหดตัวของกล้ามเนื้อ) แบบง่ายๆ เพื่อเอามาเป็นต้นแบบในการดีไซน์ อาทิ ลิ้นมนุษย์ ลิ้นกบ ลิ้นเพนกวิน และหนวดปลาหมึก

โครงสร้างพวกนี้กลายเป็นแรงบันดาลใจให้วิศวกรมากมายเลียนแบบก๊อบเกรดเอเอาไปใส่ไว้ในหุ่นยนต์ เพื่อเพิ่มฟังก์ชั่นให้หุ่นยนต์รุ่นใหม่ ให้มีความอ่อนนุ่ม ยืดหยุ่น และสามารถจัดการกับงานบางอย่างที่หุ่นยนต์แข็งทั่วไปทำไม่ได้

งานบางอย่างที่ต้องการความละเอียดอ่อน อย่างเช่น หุ่นยนต์ปลาหมึกที่สามารถเอามาช่วยในการผ่าตัด และงานหัตถการอื่นๆ ทางการแพทย์ เป็นต้น

แอนดรูว์ ชูลซ์ (Andrew Schulz) คือวิศวกรหุ่นยนต์ที่มีความสนใจในรอยยับย่นของงวงช้าง

ในตอนที่เขากำลังเรียนปริญญาเอกอยู่ที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจีย (Georgia Institute of technology) แอนดรูว์สนใจงานวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนาการออกแบบหุ่นยนต์ยืดหยุ่น หรือ soft robot ดีไซน์ใหม่ๆ โดยการเลียนแบบกลไกการทำงานของงวงช้าง

งวงช้างนั้นเป็นอวัยวะพิเศษที่สร้างขึ้นมาในช่วงท้ายของการพัฒนาการของตัวอ่อนในครรภ์โดยการเชื่อมประสานกันระหว่างอวัยวะสำคัญสองชนิด ซึ่งก็คือ ริมฝีปากบนและจมูกที่ยืดยาว

โครงสร้างของงวงที่ไร้ซึ่งกระดูกนั้นเต็มไปด้วยกล้ามเนื้อกว่า 40,000 มัดที่เรียงตัวกันอยู่อย่างสลับซับซ้อน (ซึ่งน่าอัศจรรย์มากถ้าเทียบกับจำนวนกล้ามเนื้อในร่างกายมนุษย์ที่มีอยู่เพียงแค่ราว 600 ถึง 700 มัด)

มัดกล้ามเนื้อจำนวนมหาศาลที่พบในงวงเหล่านี้ถูกควบคุมโดยเซลล์ประสาทสั่งการ (motor neurons) จำนวนมากมาย (โดยมากจะอยู่ที่ราวๆ 50,000 ถึง 60,000 เซลล์) ซึ่งทำให้พวกมันสามารถควบคุมการเคลื่อนไหวและการทำงานของงวงของพวกมันได้อย่าง ละเอียดและแม่นยำอย่างน่าทึ่ง เช่น การปลอกกล้วย เป็นต้น

ด้วยจำนวนมัดกล้ามที่มีมากมาย ทำให้งวงมีขนาดใหญ่และน้ำหนักที่เยอะมาก ดังนั้น เพื่อให้สามารถรองรับโครงสร้างของงวงได้ กะโหลกศีรษะส่วนหน้าของช้างจึงวิวัฒน์ให้มีขนาดใหญ่ขึ้น

เพื่อให้เข้าใจการทำงานของงวงช้าง ในช่วงที่ทำทีสิสปริญญาเอกอยู่ที่จอร์เจียเทค แอนดรูว์ผันตัวเองไปเป็นอาสาสมัครเลี้ยงช้าง เฝ้าติดตามช้าง ล้างกรงช้าง และคอยส่องพฤติกรรมช้างอยู่ในสวนสัตว์แอตแลนตา (Atlanta zoo) นานหลายเดือน

และเขาก็เริ่มเข้าใจว่าช้างแอฟริกา (หรือช้างทุ่งหญ้าแอฟริกา) ใช้งวงของมันหยิบจับสิ่งต่างๆ ได้อย่างไร ตั้งแต่ของที่เปราะบางมากๆ อย่างแผ่นตอติญา ไปจนถึงกลไกการดูดน้ำเข้าไปกักเก็บเอาไว้ในงวง

อีกทั้งยังพบว่าผิวบริเวณหลังงวง และผิวบริเวณท้องงวงนั้นแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง

ท้องงวงซึ่งใช้ในการหยิบจับสิ่งของนั้นจะมีความย่นมากกว่าหลังงวงมาก อาจจะช่วยเพิ่มแรงเสียดทานในการหยิบจับชิ้นวัตถุ เช่นเดียวกับลิ้นของเพนกวินที่บริเวณผิวบนลิ้นมีเดือยแหลม ช่วยในการส่งปลาที่ลื่นไหลสไลเดอร์ให้สไลด์ลงคอไปในมุมที่เหมาะที่ควร

ถ้าเป็นเช่นนั้น รอยเหี่ยวย่นบนผิวห่วงช้างก็ควรที่จะมีมาตั้งแต่เล็กแต่น้อย ไม่ใช่มาขึ้นรอยเอายามแก่เหมือนมนุษย์เช่นนั้นหรือ? แอนดรูว์ตั้งคำถาม

แต่ยังไม่ทันจะได้ตอบ เขาก็เรียนจบและได้งานใหม่เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในสาขาวิศวกรรมชีวะเลียนแบบที่สถาบันวิจัยมักซ์พลังก์เพื่อระบบอัจฉริยะ (Max Planck institute for intelligent systems) ในเยอรมนี

และที่นั่นเอง แอนดรูว์ก็ได้พบกับ ไมเคิล เบรชต์ (Michael Brecht) นักวิจัยจากมหาลัยฮุมบอลต์แห่งเบอร์ลิน (Humboldt-Universit?t zu Berlin) ที่มีความสนใจในกลไกของงวงแห่งคชสารไม่ต่างกัน

และที่เยอรมนีนี้เองที่แอนดรูว์ได้มีโอกาสเริ่มทำวิจัยช้างในสปีชีส์อื่นๆ นอกเหนือจากช้างทุ่งหญ้าแอฟริกา

ถ้าว่าตามนักอนุกรมวิธาน ในปัจจุบันบนโลกนี้ มีช้างอยู่ 3 สปีชีส์ แบ่งออกเป็นช้างทุ่งหญ้าแอฟริกา (African savanna elephant หรือ Loxodonta africana – ชนิดนี้เป็นที่รู้จักกันดีในชื่อว่าช้างแอฟริกา) ช้างป่าแอฟริกา (African forest elephant หรือ Loxodonta cyclotis) และช้างเอเชีย (Asian elephant หรือ Elephas maximus)

ช้างสามสปีชีส์นี้ มีลักษณะสัณฐานที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน ช้างทุ่งหญ้าแอฟริกาหูโต หัวโต ตัวก็ใหญ่โตมโหฬารเมื่อเทียบกับช้างป่าแอฟริกาและช้างเอเชีย งาก็ยาวโง้งดูน่าเกรงขาม

ในขณะที่ช้างป่าแอฟริกานั้นขนาดตัวจะเล็กกว่าอย่างเห็นได้ชัด งาชี้ลง ไม่งัด ไม่โง้ง ออกมาข้างหน้า เหมือนช้างทุ่งหญ้า ในส่วนของหูนั้นบานเป็นใบบัวไม่ต่างกับช้างทุ่งหญ้า

ในขณะที่ช้างเอเชีย มีขนาดอยู่แถวๆ กึ่งกลางระหว่างช้างป่ากับช้างทุ่งหญ้า แต่ทว่า ถ้าเทียบใบหูจะมีขนาดใบหูที่เล็กกว่าช้างอีกสองสปีชีส์อย่างเห็นได้ชัด และถ้าดูในรายละเอียด ช้างเอเชียยังมีความต่างอื่นๆ อีกมากมาย หากเทียบกับช้างในกลุ่มแอฟริกา

และจากการศึกษารอยตีนกา เอ้ย! รอยเหี่ยวย่นในทารกช้าง ช้างเด็ก และช้างแก่ ไมเคิลก็เจอสิ่งที่น่าสนใจ แน่นอนว่าช้างแก่ ผิวหนังก็จะเหี่ยวย่นมากกว่าพลายหนุ่มพังสาว

แต่ “เป็นที่รู้กันว่าช้างเด็กนั้นมีรอยเหี่ยวย่นอยู่บนงวงมาตั้งแต่เกิด” ไมเคิลกล่าว และว่า ความยับย่นของทารกช้างนั้น ไม่เหมือนกับความยับย่นที่เจอในทารกคน เพราะพอโตขึ้นมา ก็ยังย่นอยู่ไม่ได้เต่งตึงขึ้นกว่าเดิมแต่อย่างใด

คำถามคือ รอยเหี่ยวย่นนั้นเริ่มเกิดขึ้นตั้งแต่ตอนไหน?

เพื่อตอบคำถาม ไมเคิลและแอนดรูว์เริ่มออกแบบการทดลองเพื่อศึกษาพัฒนาการของตัวอ่อนของช้างในครรภ์ และพบว่าตัวอ่อนช้างพัฒนาขึ้นมาก็เหี่ยวแล้ว โดยเฉพาะในช่วงระหว่างวันที่ 80 ถึงวันที่ 150 หลังการตั้งครรภ์นั้นจะเป็นช่วงพีกแห่งความเหี่ยว ในช่วงนั้น รอยเหี่ยวย่นโดยเฉพาะที่งวงนั้นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ยับย่นเป็นเท่าตัวในทุกๆ 20 วันโดยประมาณ และเมื่อผ่านช่วงพีกไป อัตราการย่นก็จะเริ่มอิ่มตัวและช้าลง

เกิดออกมาก็ย่น ช้างทุกตัวงวงย่น…

แล้วถ้ามองในมุมสปีชีส์ล่ะ ช้างสปีชีส์ไหนที่ย่นกว่า

จากการศึกษาเทียบกันระหว่างช้างเอเชียกับช้างแอฟริกาแล้ว ไมเคิลเผยว่ารอยย่นบนงวงของช้างเอเชียนั้นมีมากกว่าช้างแอฟริกาอย่างมากมายมหาศาล

ซึ่งเป็นอะไรที่น่าสนใจ เพราะเมื่อดูในโครงสร้างของงวงของช้างทั้งสองสปีชีส์อย่างละเอียดแล้ว จะพบว่าจะงอยที่ปลายงวงของทั้งสองช้างมันแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

ที่ปลายงวงของช้างแอฟริกาจะมีจะงอยที่มีลักษณะเป็นเหมือนนิ้ว 2 นิ้วสามารถใช้ในการหยิบจับวัตถุต่างๆ ได้

ในขณะที่จะงอยปลายงวงของช้างเอเชียจะมีลักษณะเป็นนิ้วแค่เพียงนิ้วเดียว จะหยิบจับอะไรก็ไม่ได้ ทำให้ช้างเอเชียจำเป็นต้องใช้วิธีเอางวงโอบรัดเพื่อหยิบเอาวัตถุขึ้นมาแทน

“ถ้าจะใช้งวงโอบรัดวัตถุขึ้นมาให้ได้ งวงจะต้องมีความยืดหยุ่นอย่างมาก นี่น่าจะเป็นต้นเหตุแห่งรอยเหี่ยวย่นที่มีอยู่อย่างล้นเหลือที่บนงวงของพวกช้างเอเชียเมื่อเทียบกับช้างแอฟริกา” ไมเคิลตั้งสมมุติฐานแบบกำปั้นทุบดิน

“ตีความง่ายๆ ว่าถ้าช้างจะม้วนงวงด้านไหนมากกว่า ด้านนั้นก็จะต้องยืดหยุ่นกว่า และเมื่อยืดหยุ่นกว่า ก็ต้องยับย่นมากกว่าเป็นธรรมดา”

และที่น่าประหลาดใจก็คือเมื่อสังเกตโดยละเอียดแล้ว ทางทีมพบว่ารอยย่นที่บนงวงของช้างนั้นไม่ได้เกิดขึ้นแบบสมมาตร นั่นหมายความว่ารอยยับย่นทางฝั่งซ้ายและขวาของงวงนั้นแท้จริงแล้ว ย่นด้วยดีกรีไม่เท่ากัน

ในช้างเชือกหนึ่ง ด้านหนึ่งของงวงจะมีความยับย่นกว่าอีกด้านเสมอ ซึ่งน่าจะสอดคล้องกับไอเดียที่ว่าช้างแต่ละเชือกน่าจะมีความนิยมชมชอบในการม้วนงวงกันคนละข้างในการจัดการสิ่งของ หรือหยิบจับวัตถุ

เช่นเดียวกับที่พบในคน บางคนอาจจะถนัดใช้มือซ้าย บางคนถนัดใช้มือขวา ช้างก็น่าจะมีความถนัดในการม้วนงวงซ้ายขวา (trunkedness) แตกต่างกันไป

ช้างถนัดขวาก็จะม้วนงวงไปทางขวามากกว่าทางซ้าย รอยเหี่ยวย่นบนงวงในด้านขวาก็จะมีมากกว่าในด้านซ้าย

และในทางตรงข้าม ช้างที่ถนัดซ้ายก็จะม้วนงวงไปทางซ้ายมากกว่าทางขวา ซึ่งจะทำให้รอยยับย่นในฝั่งซ้ายนั้นเกิดขึ้นมากกว่าฝั่งขวาไปด้วยอีกเช่นกัน

แต่ไมเคิลเผยว่า การทำนายว่าช้างจะถนัดขวาหรือซ้ายนั้น สิ่งที่ดูได้ง่ายที่สุดอาจจะไม่ใช่รอยย่น แต่เป็นขนแข็งๆ ที่ปลายงวงหรือที่หลายคนเรียกว่า “หนวด (whisker)” ของช้าง

ที่จริง ผมก็เพิ่งรู้ว่าช้างมีหนวดกับเขาด้วย ตอนแรกรู้แค่ว่ามีขนหร็อมแหร็ม จากงานวิจัยเรื่อง The functional anatomy of elephant trunk whiskers ที่ตีพิมพ์ออกมาในวารสาร Communication Biology ในปี 2023 ของทีมไมเคิล พบว่าหนวดในแต่ละส่วนของช้างนั้นก็มีความแตกต่างกันไป ขึ้นกับบริเวณที่พบ

แต่หนวดที่เห็นได้ชัดที่สุดก็คือหนวดที่ตรงปลายงวง ที่จะกุดสั้นหรือยาวโง้งก็ขึ้นกับแบบแผนการใช้งวงของช้างแต่ละเชือก ทั้งนี้เพราะเวลาที่ช้างใช้งวงโอบรัดเพื่อหยิบจับวัตถุอะไรซักอย่างขึ้นมาจากพื้น หนวดที่งอกอยู่อีกข้างของงวงก็มักจะถูหรือขูดกับพื้นผิว ทำให้หนวดในบริเวณนั้นเสียดสีและค่อยๆ กุดสั้นลงไปเรื่อยๆ

นั่นหมายความว่าอยากรู้ว่าช้างเชือกไหนถนัดขวาและเชือกไหนที่ถนัดซ้าย ดูได้ที่หนวด ข้างไหนกุด อีกข้างนั่นแหละคือที่มันถนัด

พวกเขาเผยแพร่งานนี้ออกมาในเปเปอร์ใหม่ที่เพิ่งออกมาแบบสดๆ ร้อนๆ ในเดือนตุลาคม ปี 2024 ในวารสาร Royal Society Open Science

ซึ่งแน่นอนว่าไมเคิลและแอนดรูว์คงไม่หยุดแค่นี้ พวกเขาเริ่มมีไอเดียเอาความยับย่นและหนวดช้างไปคิดต่อยอดเพื่อสร้างหุ่นยนต์ยืดหยุ่นต่อไปแล้ว…

บางที ดีไซน์บางอย่างก็ซ่อนอยู่ในธรรมชาติใกล้ๆ ตัวเรานี่เอง ใครจะรู้ อีกไม่นานอาจจะมีหุ่นยนต์ยืดหยุ่นเวอร์ชั่นใหม่ เลียนแบบงวงช้างออกมาให้พวกเราได้ใช้ก็เป็นได้

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022