นักวิจัยพัฒนา "หุ่นยนต์นิ่มทรงหยดน้ำ" ขับเคลื่อนด้วยแสงอินฟราเรด กระโดดต่อเนื่องได้สูงกว่าขนาดตัวถึง 80 เท่า โดยไม่ต้องพึ่งพากลไกซับซ้อน หวังต่อยอดสำรวจพื้นภัยพิบัติและเข้าถึงยาก
นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการสร้างหุ่นยนต์แบบนิ่ม (Soft Robotics) ขนาดจิ๋วที่สามารถ "กระโดดได้ต่อเนื่องไม่สิ้นสุด" ตราบใดที่ได้รับการกระตุ้นจากแสง นวัตกรรมนี้ถือเป็นการปลดล็อกข้อจำกัดทางวิศวกรรมแบบเดิมที่ต้องใช้ระบบกลไกหรือคำสั่งอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนในการรีเซตตัวเองก่อนการกระโดดแต่ละครั้ง
เปลี่ยนพลังงานแสงสู่แรงดีดตัว
โดยทั่วไป หุ่นยนต์ขนาดเล็กมักถูกจำกัดด้วยน้ำหนักของแบตเตอรี่และระบบมอเตอร์ขนาดใหญ่ ทำให้การเคลื่อนที่ในพื้นที่ขรุขระเป็นไปได้ยาก แต่หุ่นยนต์แบบนิ่มรุ่นนี้ใช้แนวคิดทางวัสดุศาสตร์เข้ามาแก้ปัญหา ตัวหุ่นประกอบขึ้นจากเส้นริบบิ้นยางสังเคราะห์ชนิดพิเศษที่ตอบสนองต่อความร้อนจากแสง (Liquid Crystal Elastomer) ขมวดเป็นห่วงทรงหยดน้ำ โดยมีหลอดอะลูมิเนียมรูปตัววี (V-shape) ติดตั้งไว้ที่ปลายด้านหนึ่ง
เมื่อฉายแสงอินฟราเรดลงบนตัวหุ่นยนต์ ความร้อนจะทำให้ผิวสัมผัสของยางบิดตัวและพยายามหมุนรอบตัวเอง ทว่าโครงเหล็กตัววีที่ติดอยู่ตรงปลายจะทำหน้าที่ยึดเหนี่ยวกับพื้นดินไม่ให้ตัวหุ่นหมุนได้อย่างอิสระ ส่งผลให้เกิดความตึงเครียดของแรงบิด (Torsion) ที่สะสมพลังงานยืดหยุ่นไว้มากขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งถึงจุดวิกฤติ โครงสร้างปลายตัววีจะเกิดการดีดกระแทกพื้นอย่างรุนแรง ส่งผลให้ตัวหุ่นยนต์ลอยตัวพุ่งทะยานขึ้นสู่อากาศ และเมื่อลอยอยู่กลางอากาศ หุ่นยนต์จะคืนรูปกลับสู่สภาพเดิมโดยอัตโนมัติ ทำให้พร้อมสำหรับการบิดสะสมพลังงานและกระโดดในรอบถัดไปทันทีโดยไม่ต้องพัก
ปรับองศาเปลี่ยนรูปแบบการเคลื่อนที่
งานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ทแคโรไลนา (North Carolina State University) ประเทศสหรัฐอเมริกา นำโดยทีมนักวิจัยที่นำโดย รศ.ดร. Jie Yin และ ดร. Fangjie Qi ได้ค้นพบว่า การปรับเปลี่ยนทางเรขาคณิตเพียงเล็กน้อยสามารถเปลี่ยนพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ได้อย่างสิ้นเชิง
ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่า หากกำหนดมุมของปลายรูปตัววีไว้ที่ 120 องศา หุ่นยนต์จะเคลื่อนที่ด้วยการคืบคลานไปข้างหน้า หากลดมุมลงเหลือ 90 องศา หุ่นยนต์จะเปลี่ยนเป็นการกระโดดพุ่งไปข้างหน้า และหากบีบมุมให้แคบลงเหลือ 50 องศา หุ่นยนต์จะกระโดดลอยตัวขึ้นในแนวดิ่ง ซึ่งในโครงสร้างที่ออกแบบไว้สมบูรณ์ที่สุด หุ่นยนต์ตัวจิ๋วนี้สามารถกระโดดสูงในแนวดิ่งได้มากกว่าความสูงของตัวมันเองถึง 80 เท่า และกระโดดไกลไปข้างหน้าได้มากกว่าความยาวลำตัวถึง 3 เท่า นอกจากนี้ การถ่วงน้ำหนักเล็กน้อยที่ส่วนโค้งยังช่วยปรับศูนย์ถ่วงให้กระโดดได้เสถียรยิ่งขึ้น เหมือนนักว่ายน้ำที่เอียงตัวก่อนกระโดดออกจากแท่น
ก้าวข้ามขีดจำกัดมอเตอร์และชิปประมวลผล
เทคโนโลยีหุ่นยนต์แบบเดิมมักพึ่งพาชิปประมวลผล เซนเซอร์ตรวจจับ และมอเตอร์ไฟฟ้าในการควบคุมท่วงท่าการเคลื่อนที่ ซึ่งทำให้หุ่นยนต์มีน้ำหนักมาก สุ่มเสี่ยงต่อการชำรุดเมื่อเกิดแรงกระแทก และใช้พลังงานสูง การพัฒนาหุ่นยนต์แบบนิ่มไร้สายวงจรนี้จึงถือเป็นการเปลี่ยนผ่านสำคัญสู่เทคโนโลยี "Physical Intelligence" หรือการออกแบบให้โครงสร้างและวัสดุทำงานได้ด้วยตนเองตามกฎทางฟิสิกส์
ข้อดีคือ หุ่นยนต์ชนิดนี้ไม่มีชิ้นส่วนเฟืองหรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่เปราะบาง ทำให้สามารถลุยไปในพื้นที่เสี่ยงภัยพิบัติหรือสภาพแวดล้อมที่โหดร้ายได้ดี การทดสอบในห้องปฏิบัติการยืนยันว่า หุ่นยนต์หยดน้ำสามารถกระโดดข้ามสิ่งกีดขวาง ข้ามเนินลาด และเดินทางผ่านพื้นผิวธรรมชาติที่หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นกรวด ทราย พื้นหญ้า เศษไม้ หรือแม้แต่การเคลื่อนที่บนผิวน้ำได้อย่างไร้ปัญหา
ต่อยอดหุ่นยนต์จิ๋วเพื่อกู้ภัยและสิ่งแวดล้อม
แม้นวัตกรรมนี้จะยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาขั้นพื้นฐานในห้องทดสอบ แต่นักวิจัยมองเห็นศักยภาพในการนำไปต่อยอดใช้จริงในอนาคต โดยเฉพาะการประยุกต์ใช้ในภารกิจหุ่นยนต์กลุ่มก้อน (Swarm Robotics) ที่ปล่อยหุ่นยนต์นิ่มขนาดเล็กจำนวนมากพร้อมกัน เพื่อกระจายกำลังสำรวจพื้นที่ภัยพิบัติที่ซากอาคารพังทลาย ซึ่งหุ่นยนต์ขนาดใหญ่หรือมนุษย์ไม่สามารถแทรกตัวเข้าไปได้
นอกจากนี้ ยังสามารถนำไปใช้ในการตรวจวัดสภาพแวดล้อม การติดตามมลพิษในพื้นที่เข้าถึงยาก หรือการส่งหุ่นยนต์จิ๋วเข้าไปสำรวจภูมิประเทศขรุขระบนดาวดวงอื่น โดยพึ่งพาเพียงแสงอาทิตย์หรือแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดจากระยะไกลในการขับเคลื่อน โดยไม่ต้องกังวลเรื่องแบตเตอรี่หมดหรือกลไกติดขัด
การพัฒนาหุ่นยนต์แบบนิ่มพลังแสงที่กระโดดและรีเซตตัวเองได้ต่อเนื่อง ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญของวงการวัสดุศาสตร์และหุ่นยนต์ศาสตร์ การตัดชิปประมวลผลและแบตเตอรี่ออก แล้วแทนที่ด้วยกลไกเรขาคณิตอันชาญฉลาด ไม่เพียงแต่ลดต้นทุนและน้ำหนัก แต่ยังเปิดโอกาสใหม่ ๆ ในการสร้างนวัตกรรมสำรวจพื้นที่เปราะบาง ในอนาคตเราอาจได้เห็นหุ่นยนต์นิ่มขนาดจิ๋วเหล่านี้ทำงานร่วมกันเป็นกลุ่มเพื่อช่วยกู้ชีวิตผู้ประสบภัย หรือปฏิบัติการกู้โลกในพื้นที่วิบากได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เรียบเรียงโดย ขนิษฐา จันทร์ทร
ที่มาข้อมูล: ncsu, robotics, techxplore, nanowerk
ที่มาภาพ: ncsu
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
