ซึ่งเป็นหุ่นยนต์ที่มีขนาดเล็กมากเสียจนสามารถนำทางผ่านของเหลวในร่างกายได้เกือบทั้งหมด นับได้ว่าเป็นก้าวสำคัญทางการแพทย์ที่จะนำไปสู่การรักษาที่แม่นยำ ล้ำสมัย และเจาะจงไปในระดับเซลล์อย่างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน ภายใต้ชื่อนวัตกรรมที่เรียกว่า ‘ไมโครสวิมเมอร์’ (Microswimmers)
ไมโครสวิมเมอร์ คือวัตถุขนาดเล็กที่มีความสามารถในการเคลื่อนตัวหรือเคลื่อนที่ในสภาพแวดล้อมของเหลวในร่างกายเพื่อทำงานบางอย่างในร่างกายแบบเฉพาะเจาะจง โดยจุดเริ่มต้นของแนวคิดเรื่องหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วที่เคลื่อนที่ไปมาในของเหลวของร่างกายนั้นเริ่มมาจากนักฟิสิกส์รางวัลโนเบล ริชาร์ด ไฟน์แมน (Richard Feynman) เมื่อปี ค.ศ. 1959 ที่ได้กล่าวถึงแนวคิดของอัลเบิร์ต อาร์. ฮิบส์ (Albert R. Hibbs) เกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการประดิษฐ์เครื่องจักรขนาดเล็กที่สามารถเดินทางในหลอดเลือดเพื่อตรวจเช็กและแก้ไขความผิดปกติในระบบไหลเวียนโลหิต หรือการใส่เครื่องมือขนาดจิ๋วไว้ในร่างกายถาวรเพื่อช่วยอวัยวะที่ทำงานผิดปกติ ซึ่งในเวลาต่อมาแนวคิดนี้ได้กลายเป็นแรงบันดาลใจให้กับภาพยนตร์ไซไฟคลาสสิกเรื่อง Fantastic Voyage ที่บอกเล่าเรื่องราวของเรือดำน้ำและลูกเรือที่ถูกย่อส่วนจนเล็กเท่าเซลล์ เพื่อฉีดเข้าไปในร่างกายมนุษย์และทำการผ่าตัดรักษาลิ่มเลือดในสมอง
ทว่าความฝันเรื่องการส่งหมอขนาดจิ๋วลงไปในกระแสเลือดไม่ได้เป็นเรื่องที่ง่ายดายเหมือนในภาพยนตร์ เนื่องจากของเหลวในร่างกายของเรามีความเหนียวหนืด ไม่ได้ไหลเป็นเนื้อเดียวกันเหมือนกับน้ำ โดยในทางฟิสิกส์จะอธิบายสภาวะนี้ว่าเป็นของเหลวที่มีเลขเรย์โนลด์ (Reynolds Number) ที่ต่ำมาก ซึ่งส่งผลให้หุ่นยนต์จิ๋วไม่สามารถใช้การตีขาของมนุษย์ หรือการสะบัดหางไป-มาแบบปลาได้เหมือนกับการว่ายน้ำ เนื่องจากแรงต้านของของเหลวจะดันให้วัตถุเคลื่อนที่ย้อนกลับมาที่เดิมตามกฎ Scallop Theorem
ดังนั้นเพื่อข้ามผ่านอุปสรรคดังกล่าว วิศวกรจึงต้องคิดค้นและออกแบบกลไกการเคลื่อนที่ตลอดจนรูปทรงเพื่อให้อุปกรณ์สามารถทำงาน และเคลื่อนที่ได้ภายใต้ความข้นหนืดของของเหลวในร่างกาย โดยวิศวกรสามารถออกแบบโครงสร้างได้ 3 รูปแบบ คือ รูปทรงเกลียวสว่าน (Microhelix) ที่อาศัยการหมุนของเกลียวสว่านในการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามแรงหมุนของแม่เหล็กภายนอก รูปทรงกระบอก (Microtube) ที่อาศัยปฏิกิริยาเคมีขับดันของเหลวให้ออกทางด้านหลังเพื่อพุ่งไปด้านหน้า และการเคลื่อนที่แบบคลื่นพลิ้วที่ดัดแปลงโครงสร้างสายรัดและหางสังเคราะห์ให้พลิ้วไหวเป็นคลื่นเพื่อแหวกผ่านของเหลวโดยไม่เกิดแรงต้าน นอกจากการออกแบบรูปทรงและโครงสร้างนักวิทย์ได้คิดค้นไมโครสวิมเมอร์ระบบลูกผสมชีวภาพที่เกิดจากการนำเครื่องจักรขนาดไมครอนติดตั้งในเซลล์หรือสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เช่น แบคทีเรีย เม็ดเลือดแดง หรือเซลล์อสุจิ ซึ่งส่วนประกอบชีวภาพจะทำหน้าที่คล้ายกับ ‘หัวรถจักรที่ลากอุปกรณ์’ ไปยังตำแหน่งเป้าหมาย
อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญที่วิศวกรจะต้องให้ความสำคัญประการถัดมาที่เปรียบเสมือนกับหัวใจของการทำงาน คือการเลือกแหล่งพลังงานและกลไกการขับเคลื่อนที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมการทำงานของไมโครสวิมเมอร์ โดยนักวิจัยได้แบ่งที่มาของพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนเครื่องจักรเป็นสองค่ายหลักตามลักษณะการใช้งาน
แนวทางแรกคือการพึ่งพาพลังงานและระบบควบคุมจากภายนอกร่างกาย (External Driving) ซึ่งนับเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายและมีความปลอดภัยสูง ตัวอย่างที่เห็นได้อย่างเด่นชัดคือการใช้พลังงานสนามแม่เหล็ก โดยทีมแพทย์จะควบคุมทิศทางและความเร็วของหุ่นยนต์จิ๋วจากภายนอกได้อย่างแม่นยำราวกับมีมือล่องหนและคอยนำทาง นอกจากนี้ยังมีการใช้พลังงานจากคลื่นเสียงอัลตราซาวนด์ดันตัวหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่ ตลอดจนการใช้พลังงานแสงเลเซอร์หรือลำแสงช่วงคลื่นอินฟราเรดชี้คุมทิศทาง
อย่างไรก็ดีแม้พลังงานจากภายนอกจะช่วยควบคุมการเคลื่อนที่ได้ดั่งใจ แต่ก็ยังมีข้อจำกัดในด้านความลึกในการส่องผ่านเนื้อเยื่อของคลื่นแสงบางประเภท เนื่องจากเนื้อเยื่อในร่างกายมีความทึบและไม่ยอมให้คลื่นแสงบางความถี่สามารถผ่านไปได้ อีกทั้งการควบคุมจำเป็นต้องทำในห้องปฏิบัติการที่มีอุปกรณ์เครื่องมือขนาดใหญ่ในสถานพยาบาล
ดังนั้นวิศวกรจึงได้ออกแบบไมโครสวิมเมอร์บางประเภทที่ต้องทำงานภายในอวัยวะที่คลื่นแสงไม่สามารถส่องผ่านมาได้ให้มีแหล่งพลังงานจากภายใน โดยวิธีที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือการอาศัยปฏิกิริยาเคมีจากสารชีวโมเลกุลในจุดที่เดินไปถึงเป็นแหล่งพลังงาน เช่น น้ำตาลกลูโคสในเลือด กรดในกระเพาะอาหารให้กลายเป็นแรงดันพุ่งตัว หรือแม้กระทั่งการดัดแปลงเป็นระบบไฮบริดที่ดึงเอาพลังงานการว่ายน้ำตามธรรมชาติของแบคทีเรีย หรือเซลล์อสุจิมาใช้โดยตรง ซึ่งข้อดีของการเลือกใช้ระบบขับเคลื่อนภายในตัวเองคือความอิสระไม่จำเป็นต้องพึ่งพาตู้ควบคุมขนาดใหญ่ภายนอก แต่ก็ต้องแลกมาด้วยความท้าทายในการหยุดยั้งหรือปรับเปลี่ยนทิศทางกะทันหัน
ดังนั้นการผสมผสานและเลือกใช้พลังงานขับเคลื่อนให้เหมาะสมไม่เพียงแต่ช่วยให้แพทย์จิ๋วสามารถว่ายน้ำไปยังจุดหมายได้อย่างปลอดภัย แต่ยังเป็นกุญแจสำคัญที่จะเปิดประตูสู่การปฏิบัติภารกิจทางการแพทย์ที่ซับซ้อนในขั้นตอนต่อไป
จะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีไมโครสวิมเมอร์เป็นทางเลือกใหม่ในการรักษาของแพทย์และเครื่องมือของนักวิจัยในอนาคตที่จะมาช่วยขับเคลื่อนและพัฒนาคุณภาพชีวิตมนุษย์ให้ดียิ่งขึ้น โดยหน้าที่หลักที่ได้รับการจับตามองมากที่สุดคือ การส่งยาและสารเคมีเฉพาะจุด ซึ่งเข้ามาแก้ปัญหาใหญ่ของการรักษาโรคร้ายอย่างมะเร็งที่ตามปกติแล้วยาเคมีบำบัดมักกระจายไปทั่วร่างกายจนทำลายเซลล์ดีและสร้างผลข้างเคียงรุนแรง แต่หุ่นยนต์ขนาดไมครอนพวกนี้จะทำหน้าที่เป็นกล่องบรรจุยาจิ๋วที่เคลื่อนที่ตรงไปยังก้อนเนื้อร้าย และจะปล่อยยาออกมาเฉพาะเมื่อตรวจพบก้อนเนื้อร้ายหรือถูกกระตุ้นด้วยพลังงานภายนอกเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้นนักวิจัยยังสามารถพัฒนารูปแบบการนำส่งยาด้วยโครงข่ายโลหะอินทรีย์ที่นอกจากจะอุ้มยาได้ปริมาณมากแล้ว ยังสามารถย่อยสลายได้เองตามธรรมชาติโดยไม่ทิ้งสารพิษตกค้างไว้ในร่างกาย
นอกเหนือจากการขนส่งยารักษาโรค เทคโนโลยีตัวนี้ยังสามารถแก้ไขปัญหาการมีบุตรยากในเพศชายเนื่องจากเซลล์อสุจิมีหางที่ไม่แข็งแรงจนไม่สามารถเดินทางไปปฏิสนธิกับเซลล์ไข่ได้ โดยการนำเกลียวสว่านแม่เหล็กขนาดจิ๋วไปสวมเข้ากับอสุจิที่มีปัญหา จากนั้นใช้สนามแม่เหล็กภายนอกช่วยนำทางพาอสุจิตัวนั้นว่ายตรงไปเจาะผสมกับไข่ได้อย่างแม่นยำ อีกทั้งยังสามารถพัฒนาให้เป็นตัวนำส่งยารักษาโรคในระบบอวัยวะสืบพันธุ์สตรีได้อีกด้วย
ความสามารถของหุ่นยนต์จิ๋วเหล่านี้ยังครอบคลุมไปถึงการทำหน้าที่เป็นศัลยแพทย์ระดับไมโครด้วยการใช้เป็นเครื่องมือผ่าตัดขนาดจิ๋วในการตัดเนื้อเยื่อ และกะเทาะลิ่มเลือดที่อุดตันในเส้นเลือดฝอย ตลอดจนการเข้าไปตกแต่งเนื้อเยื่อในจุดซับซ้อนอย่างภายในดวงตา รวมถึงการทำหน้าที่เป็นเซนเซอร์เคลื่อนที่เพื่อตรวจวัดระดับค่า pH ตรวจจับสารพิษในระดับเซลล์ และช่วยเพิ่มความคมชัดในการถ่ายภาพทางการแพทย์ผ่านเครื่อง MRI หรืออัลตราซาวนด์ ซึ่งทั้งหมดนี้คือหลักฐานที่ยืนยันว่า หุ่นยนต์จิ๋วเคลื่อนที่ได้กำลังจะกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการรักษาโรคแห่งอนาคต
แม้ผลการทดลองในห้องปฏิบัติการและสัตว์ทดลองจะแสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันน่าทึ่งเพียงใดก็ตาม แต่การพาเทคโนโลยีทางการแพทย์ยุคใหม่ในห้องปฏิบัติการไปสู่ระดับใช้งานจริงในโรงพยาบาลยังคงมีด่านหินสำคัญที่ต้องข้ามผ่าน โดยเฉพาะเรื่องความปลอดภัยและความเป็นมิตรต่อร่างกายในระยะยาว โดยวัสดุที่ใช้สร้างหุ่นยนต์จิ๋วจะต้องไม่ก่อให้เกิดการอักเสบหรือสร้างลิ่มเลือดอุดตัน อีกทั้งต้องสามารถย่อยสลายและถูกขับออกจากร่างกายได้ทั้งหมดโดยไม่ทิ้งสารพิษตกค้าง
นอกจากนี้ยังต้องอาศัยระบบการติดตามตำแหน่งแบบเรียลไทม์ที่ต้องการเทคโนโลยีการสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงกว่าในปัจจุบัน ตลอดจนกระบวนการอนุมัติทางกฎหมายและการควบคุมมาตรฐานการผลิตปริมาณมากในเชิงอุตสาหกรรม ซึ่งต้องอาศัยการทำงานร่วมกันระหว่างผู้เชี่ยวชาญหลากหลายสาขาทั้งทางการแพทย์ และนิติศาสตร์เพื่อให้เกิดการรับรองทั้งทางกฎหมายและทางการแพทย์
อย่างไรก็ดี ตลอดระยะเวลาสองทศวรรษที่เทคโนโลยีได้ปรากฏสู่สายตาชาวโลกเป็นครั้งแรกในห้องปฏิบัติการได้เป็นเครื่องพิสูจน์ให้เห็นแล้วว่าจินตนาการเรื่องการส่งหมอขนาดจิ๋วลงไปรักษาโรคในร่างกายในวันนั้นไม่ใช่เรื่องเพ้อฝันอีกต่อไป และเมื่อเทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาจนผ่านการรับรองทางการแพทย์อย่างเป็นทางการ ในวันนั้นไมโครสวิมเมอร์อาจไม่เพียงแต่จะทลายขีดจำกัดของการรักษาโรคแบบเดิม ๆ แต่จะกลายเป็นหนึ่งในนวัตกรรมชิ้นสำคัญที่เปลี่ยนโฉมหน้านวัตกรรมและเทคโนโลยีชีวการแพทย์เพื่อมอบชีวิตที่ดีขึ้นและยืดอายุขัยให้กับมนุษยชาติได้อย่างยั่งยืน
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
