นักวิจัย MIT สร้าง ‘กล้ามเนื้อเทียม’ จากเส้นใยไฟฟ้า เล็กกว่าไม้จิ้มฟัน ไม่มีมอเตอร์ ไม่มีเสียง หดยืดได้เหมือนกล้ามเนื้อจริง

กล้ามเนื้อคือหนึ่งในสิ่งที่วิศวกรหุ่นยนต์อิจฉาธรรมชาติมากที่สุด มันแข็งแรง ตอบสนองเร็ว ยืดหดได้ในแนวเส้นตรง แถมยังเรียงซ้อนกันเป็นมัดได้ตามต้องการ แต่กว่าจะสร้างอะไรที่ใกล้เคียงได้ขนาดนี้ วิศวกรต้องพึ่งมอเตอร์ ปั๊ม สายยาง และอุปกรณ์ที่ทั้งหนัก ทั้งดัง ทั้งเทอะทะ

ตอนนี้ทีมวิจัยจาก MIT Media Lab ร่วมกับ Politecnico di Bari ในอิตาลี เพิ่งตีพิมพ์งานวิจัยลงวารสาร Science Robotics ที่อาจเปลี่ยนภาพนั้นไปเลย พวกเขาพัฒนา 'กล้ามเนื้อเทียมแบบเส้นใย' ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ทำงานเงียบ ไม่ต้องมีมอเตอร์หรือปั๊มภายนอก และบางเส้นหนาไม่ต่างจากไม้จิ้มฟัน

สองเทคโนโลยีที่มาเจอกัน

หัวใจของระบบนี้คือการรวมสองสิ่งเข้าด้วยกัน สิ่งแรกคือ Thin McKibben Actuator ซึ่งเป็นกล้ามเนื้อเทียมแบบขับเคลื่อนด้วยของไหล เวลามีแรงดันเข้ามา เส้นใยจะหดตัว ปล่อยแรงดันออก เส้นใยจะคลายตัว คล้ายกับกล้ามเนื้อจริงที่เกร็งแล้วคลาย

สิ่งที่สองคือ Fiber Pump ขนาดจิ๋วที่ทำงานบนหลักการ Electrohydrodynamics หรือ EHD ปั๊มตัวนี้ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวเลยสักชิ้น มันสร้างแรงดันโดยการฉีดประจุไฟฟ้าเข้าไปในของเหลว Dielectric ทำให้เกิด Ion ที่ลากของเหลวไปด้วย ทั้งหมดนี้อยู่ในขนาดมิลลิเมตร หนักแค่ไม่กี่กรัม

Ozgun Kilic Afsar นักศึกษาปริญญาเอกจาก MIT Media Lab และหัวหน้าทีมวิจัย อธิบายว่าปัญหาใหญ่ที่สุดของ Soft Actuator แบบใช้ของไหลมาตลอดคือมัน 'ต้องพึ่งโครงสร้างไฮดรอลิกภายนอกที่หนัก เทอะทะ และมักจะส่งเสียงดัง' ทำให้ไม่สามารถนำไปใช้ในสถานการณ์จริงที่ต้องการความกะทัดรัดและน้ำหนักเบาได้

เลียนแบบธรรมชาติ แต่ไม่ใช่แค่เพราะมันดูเท่

กลยุทธ์สำคัญของทีมคือการจัดเส้นใยเป็นคู่แบบ Antagonistic Configuration ฟังดูซับซ้อน แต่จริงๆ มันคือหลักการเดียวกับแขนของเรา ตอนงอแขน Biceps หดตัว ขณะที่ Triceps ยืดออก ในระบบนี้ Fiber Pump ตัวหนึ่งจะอยู่ตรงกลางระหว่าง McKibben Actuator สองเส้น ดันของเหลวเข้าเส้นหนึ่งให้หด พร้อมกับปล่อยอีกเส้นให้คลาย

Vito Cacucciolo ศาสตราจารย์จาก Politecnico di Bari อธิบายว่า 'กล้ามเนื้อหนึ่งหดตัว ขณะที่อีกเส้นยืดออก' เหมือนกับการทำงานของกล้ามเนื้อจริงทุกประการ

แต่ Afsar ย้ำว่าพวกเขาไม่ได้เลือกแบบนี้เพียงเพราะอยากเลียนแบบธรรมชาติ มันมีเหตุผลทางวิศวกรรมที่ชัดเจน ปัญหาใหญ่ของ EHD Pump คือมันต้องมีถังเก็บของเหลวภายนอกที่เปิดสู่บรรยากาศ ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่ทำให้ใช้นอกห้องแล็บไม่ได้จริง การจับคู่ McKibben สองเส้นกับ Fiber Pump ตรงกลางให้เป็นวงจรปิด ทำให้ไม่ต้องมีถังเก็บภายนอกอีกต่อไป

ต้องอัดแรงดันไว้ก่อน ไม่งั้นฟองอากาศจะทำพัง

อีกสิ่งที่ทีมค้นพบคือเส้นใยกล้ามเนื้อต้องมี 'แรงดันเบื้องต้น' อยู่ในระบบตลอดเวลา ไม่ใช่แค่เติมของเหลวเข้าไปแล้วจบ ถ้าแรงดันภายในตกต่ำเกินไป จะเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Cavitation ซึ่งก็คือการเกิดฟองไอภายในของเหลว เมื่อแรงดันที่ทางเข้าปั๊มต่ำกว่าแรงดันไอของของเหลว ฟองพวกนี้จะนำไปสู่ Dielectric Breakdown ทำให้ปั๊มเสียหายหรือหยุดทำงาน

วิธีแก้คือการใส่ Bias Pressure ไว้ตั้งแต่ต้น ให้แรงดันภายในไม่ตกต่ำกว่าจุดวิกฤต Afsar อธิบายว่าขนาดของ Bias Pressure ปรับได้ตามการใช้งาน ถ้าต้องการให้หดตัวได้มากที่สุด มีค่าที่เหมาะสมอยู่ช่วงหนึ่ง ถ้าต้องการให้ตอบสนองเร็วขึ้น ก็เพิ่มแรงดันได้ แต่แลกกับระยะหดตัวที่น้อยลง

ทำไมถึงดีกว่า Servo Motor

Cacucciolo ชี้ให้เห็นว่าแขนหุ่นยนต์และหุ่นยนต์ Humanoid ส่วนใหญ่ในปัจจุบันสร้างขึ้นรอบ Servo Motor ซึ่งสร้างการเคลื่อนที่แบบหมุนบนเพลา แล้วต้องแปลงเป็นการเคลื่อนที่แนวเส้นตรงอีกที นั่นทำให้มีข้อจำกัดเรื่องการจัดวาง เพราะ Servo Motor จัดเรียงให้แน่นได้ยาก และมีแนวโน้มจะกระจุกน้ำหนักไว้ใกล้ข้อต่อ

กล้ามเนื้อเทียมแบบเส้นใยนี้ต่างออกไป มันหดและยืดในแนวเส้นตรงโดยธรรมชาติ เหมือนกล้ามเนื้อจริง จัดเรียงซ้อนกันแน่นได้ และกระจายไปทั่วโครงสร้างของหุ่นยนต์หรือ Exoskeleton ได้ แทนที่จะกระจุกอยู่ตรงข้อต่อ

จากแล็บสู่ Exoskeleton

กล้ามเนื้อเทียมแบบนี้น่าจะมีประโยชน์มากสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ ไม่ว่าจะเป็น Exoskeleton ที่ช่วยยกของหนัก หรืออุปกรณ์ช่วยเหลือที่เพิ่มความคล่องแคล่วให้มือ แต่ Cacucciolo บอกว่าหลักการเบื้องหลังใช้ได้กว้างกว่านั้นมาก 'ทุกที่ที่ใช้ Fluidic Actuator หรือที่วิศวกรต้องการเปลี่ยนปั๊มภายนอกเป็นปั๊มภายใน หลักการออกแบบเหล่านี้นำไปใช้ได้ทั้งหมด'

Herbert Shea ศาสตราจารย์จาก Soft Transducers Laboratory แห่ง Ecole Polytechnique Federale de Lausanne ในสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานวิจัยนี้ ให้ความเห็นว่า 'การที่ปั๊มไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว ทำให้กล้ามเนื้อเหล่านี้เงียบสนิท ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบสำคัญสำหรับอุปกรณ์เทียมและเสื้อผ้าช่วยเหลือ' และเสริมว่างานวิจัยนี้ 'เชื่อมช่องว่างระหว่างพลศาสตร์ของไหลพื้นฐานกับการประยุกต์ใช้ในหุ่นยนต์จริง'

ที่มา: News MIT