มอเตอร์เส้นด้าย! เลียนแบบกล้ามเนื้อ ต่อยอดหุ่นยนต์และอุปกรณ์ช่วยเคลื่อนไหว

ทีมวิศวกรประสบความสำเร็จในการคิดค้นมอเตอร์แบบใหม่ที่ยืดหยุ่นไม่ต่างจากเส้นด้าย งานวิจัยชิ้นนี้ได้ปลดล็อกข้อจำกัดเดิม ๆ ของกลไกของหุ่นยนต์สวมใส่ (Wearable Robotics) ที่เคยหนัก ยุ่งยาก และเทอะทะ ให้สามารถผสมผสานกลมกลืนไปกับเสื้อผ้าที่ใช้ในชีวิตประจำวันได้อย่างแนบเนียน

มอเตอร์ไร้เฟืองที่เบาและสวมใส่สบาย

การเคลื่อนไหวของมนุษย์ เช่น การยืด แขน การดึง หรือการย่อตัว อาศัยแรงหดตัวของกล้ามเนื้อตามแนวตรง แต่ชุดหุ่นยนต์ภายนอกหรือ Exoskeleton ในปัจจุบัน มักต้องพึ่งพามอเตอร์หมุนขนาดใหญ่ ร่วมกับระบบเฟืองและสายส่งกำลังที่แข็งและหนัก ทำให้ผู้ใช้งานรู้สึกอึดอัดและเคลื่อนไหวได้ไม่เป็นธรรมชาติ

มอเตอร์เส้นด้ายนี้ ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหานั้นโดยเฉพาะ ด้วยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1-3 มิลลิเมตร จึงสามารถดัดโค้ง หรือเย็บลงบนเนื้อผ้าได้ทันที จุดเด่นสำคัญคือการทำงานแบบไร้เฟืองและไร้ชิ้นส่วนหมุนขนาดใหญ่ ส่งผลให้ระบบทำงานได้อย่างเงียบกริบ น้ำหนักเบา และไม่เป็นอุปสรรคในการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของผู้สวมใส่

ย่อส่วนแรงไฟฟ้าสถิตสู่เส้นใยซ้อนกัน

งานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์สวิส โลซาน (École Polytechnique Fédérale de Lausanne - EPFL) ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ มีทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการ Soft Transducers Laboratory นำโดยศาสตราจารย์ Herbert Shea และ Sylvain Schaller ได้ร่วมกันพัฒนามอเตอร์นี้ขึ้นมา

หลักการทำงานของมอเตอร์เส้นด้ายใช้โครงสร้างเส้นใยสองชั้นซ้อนกันเหมือนกล้องส่องทางไกล (Coaxial Structure) ภายในเส้นใยแต่ละเส้นจะขดด้วยขั้วไฟฟ้าขนาดจิ๋วสปินเป็นรูปเกลียว เมื่อป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไป จะเกิดพลังงานแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Force) ผลักและดึงให้เส้นใยชั้นในเลื่อนไถลไปตามแนวยาวของเส้นใยชั้นนอก

ความพิเศษของการเคลื่อนไหวรูปแบบนี้คือ "ระยะการเคลื่อนที่" (Stroke) ไม่ได้ถูกจำกัดด้วยความสามารถในการยืดหดของวัสดุเหมือนกล้ามเนื้อสังเคราะห์แบบเดิม แต่ขึ้นอยู่กับความยาวของเส้นด้ายที่นำมาใช้ ยิ่งเส้นด้ายยาวมากเท่าไร ระยะเลื่อนส่งกำลังก็ยิ่งยาวขึ้นเท่านั้น โดยที่แรงฉุดยังคงความสม่ำเสมอตลอดเส้น

พลังแห่งการรวมกลุ่ม และการใช้งานจริง

แม้มอเตอร์เส้นด้ายเพียงเส้นเดียวจะมีกำลังฉุดไม่สูงนัก (รองรับน้ำหนักได้ราว 75 กรัม) แต่ทีมวิจัยได้พิสูจน์ให้เห็นว่า เมื่อนำมอเตอร์ชนิดนี้มามัดรวมกันเป็นช่อขนานกัน 4 เส้น ก็สามารถเพิ่มพลังการยกได้หลายเท่า เช่น การยกช็อกโกแลตหนึ่งแท่ง หรือการใช้นิ้วหุ่นยนต์งอตัวเพื่อหยิบจับสิ่งของได้สบาย

นอกจากนี้ กลไกที่ไม่มีเฟืองล็อกยังสร้างคุณสมบัติสำคัญที่เรียกว่า "Backdrivability" หรือการยินยอมให้แรงภายนอกขยับตัวได้ หากผู้สวมใส่ฝืนขยับตัวในทิศทางตรงกันข้ามโดยไม่ได้ตั้งใจ เส้นด้ายจะผ่านกันได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ติดขัดหรือฝืนเกร็งกล้ามเนื้อของผู้ใช้งาน ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญในการป้องกันอุบัติเหตุและการบาดเจ็บ

เปลี่ยนเสื้อผ้าธรรมดาให้เป็น "อุปกรณ์ช่วยเคลื่อนไหว"

ประโยชน์จากการประยุกต์ใช้งานจริงของเทคโนโลยีนี้ครอบคลุมหลากหลายด้าน

• อุปกรณ์ช่วยกายภาพและผู้สูงอายุ: สามารถนำมอเตอร์ไปเย็บติดรอบข้อต่อ เช่น บริเวณเข่าหรือข้อศอก เพื่อช่วยผ่อนแรงยามลุกยืน เดินขึ้นบันได หรือฟื้นฟูผู้ป่วย
• กล้ามเนื้ออ่อนแรงกายอุปกรณ์และอวัยวะเทียม: นำไปใช้ควบคุมชุดแขนขาเทียมให้มีการเคลื่อนไหวที่นุ่มนวล เงียบ และเป็นธรรมชาติ ยึดติดกับร่างกายได้สะดวกขึ้น
• ระบบสัมผัสเสมือนจริง (Haptic Feedback): นำไปพัฒนาเป็นถุงมือหรือชุดในโลก VR/AR ที่สามารถสร้างแรงต้านสัมผัสได้อย่างละเอียด สมจริง โดยไม่ทำให้หนักหรือรู้สึกเกะกะ

นวัตกรรมมอเตอร์เส้นด้าย นับเป็นก้าวสำคัญที่เปลี่ยนโฉมหน้าวิศวกรรมหุ่นยนต์แบบเดิม จากเครื่องกลที่แข็งกระด้าง สู่เทคโนโลยีที่ยืดหยุ่น เบา และกลมกลืนกับวิถีชีวิต ปัจจุบันทีมผู้พัฒนาได้จัดตั้งทีมเพื่อต่อยอดเทคโนโลยีนี้ไปสู่การผลิตเชิงอุตสาหกรรม ซึ่งในอนาคตอันใกล้ เราอาจได้เห็นเสื้อผ้าอัจฉริยะที่เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยในการเคลื่อนไหว และสามารถนำไปใช้งานจริงในชีวิตประจำวัน

ที่มาของข้อมูล: actu.epfl.ch, techxplore, interestingengineering, therundown

ที่มาของภาพ: EPFL

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS