MIT พัฒนาอัลกอริทึมใหม่ นวัตกรรมจาก Kirigami แปลงดีไซน์ 3D เป็นแผ่นพับพร้อมใช้ อนาคตของเต็นท์พยาบาลฉุกเฉินขนาดพกพา

ลองจินตนาการถึงภาพเหตุการณ์แผ่นดินไหวรุนแรงที่ทำให้อาคารบ้านเรือนพังทลายนับพันหลัง ทีมกู้ภัยมีความจำเป็นต้องตั้งโรงพยาบาลสนามโดยเร็วที่สุด ทว่าการขนส่งโครงสร้างขนาดใหญ่ไปยังพื้นที่ห่างไกลที่เส้นทางคมนาคมถูกตัดขาดนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย หรือหากมองให้ไกลออกไปถึงหุ่นยนต์สำรวจดาวอังคารที่ต้องทำหน้าที่สร้างที่พักอาศัยให้มนุษย์ก่อนที่ภารกิจเยือนอวกาศครั้งแรกจะเริ่มต้นขึ้น สถานการณ์ที่ท้าทายเหล่านี้ล้วนต้องการคำตอบเดียวกัน นั่นคือการมองหาโครงสร้างที่สามารถประหยัดพื้นที่จัดเก็บได้มากที่สุด กางออกได้รวดเร็วที่สุด และมีกลไกที่เรียบง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ล่าสุด ทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการวิทยาการคอมพิวเตอร์และปัญญาประดิษฐ์แห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ หรือ MIT CSAIL อาจค้นพบกุญแจสำคัญที่ไขปริศนานั้นได้สำเร็จ พวกเขาได้นำเสนอวิธีการใหม่ที่สามารถแปลงโครงสร้าง 3 มิติที่ซับซ้อนให้กลายเป็นแผ่นแบนราบ และสามารถกางออกกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้อย่างสมบูรณ์แบบด้วยการดึงเชือกเพียงเส้นเดียวและดึงเพียงครั้งเดียวเท่านั้น

จากข้อจำกัดทางเรขาคณิต สู่การทำลายกำแพงวิศวกรรม

แนวคิดเรื่อง 'โครงสร้างที่พับและกางได้' หรือ deployable structures ไม่ใช่เรื่องใหม่ในวงการวิศวกรรม เราคุ้นเคยกับเทคโนโลยีนี้ผ่านสิ่งของรอบตัวอย่างร่มชูชีพ แผงโซลาร์เซลล์ของดาวเทียม หรือแม้แต่หมวกกันน็อกจักรยานแบบพับได้ แต่โครงสร้างเหล่านี้มักมีข้อจำกัดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ร่วมกันประการหนึ่ง นั่นคือรูปทรงที่สร้างได้มักมีความเรียบง่ายทางเรขาคณิต ในขณะที่กลไกการกางมักมีความซับซ้อนซ่อนเงื่อน ต้องอาศัยหลายขั้นตอนหรืออุปกรณ์พิเศษเข้าช่วย

อากิบ ซามาน นักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ และหัวหน้าทีมวิจัย ได้อธิบายถึงรากฐานของปัญหาที่พวกเขาพยายามก้าวข้ามว่า จากความท้าทายที่ผ่านมา โครงสร้างที่พับและกางได้จึงมักถูกออกแบบด้วยมือและจำกัดอยู่แค่รูปทรงที่เรียบง่ายมาก แต่ถ้าหากมนุษย์สามารถสร้างรูปทรงที่ซับซ้อนกว่านี้ได้ โดยที่ยังรักษากลไกการกางให้เรียบง่ายลง เราก็จะสามารถขยายขีดความสามารถของโครงสร้างประเภทนี้ได้อย่างมหาศาล ซึ่งนั่นคือโจทย์ตั้งต้นที่ทีมวิจัยได้กำหนดไว้ และผลลัพธ์ที่ประจักษ์ออกมานั้นก็ถือว่าก้าวล้ำเกินกว่าความคาดหมายไปมาก

ผสานศาสตร์ศิลป์โบราณเข้ากับอัลกอริทึมแห่งอนาคต

หัวใจสำคัญของงานวิจัยชิ้นนี้คือการร้อยรัดศิลปะการพับและตัดกระดาษโบราณของญี่ปุ่นเข้ากับคณิตศาสตร์เชิงคอมพิวเตอร์ขั้นสูง ทีมวิจัยได้หยิบยกเอาหลักการของ 'คิริงามิ' หรือศิลปะการตัดกระดาษแบบญี่ปุ่นมาใช้เป็นรากฐานสำคัญ ซึ่งความแตกต่างของคิริงามิเมื่อเทียบกับโอริกามิคือ นอกจากการพับแล้วยังมีการตัดวัสดุร่วมด้วย กระบวนการนี้เปิดโอกาสให้ผู้ออกแบบสามารถเข้ารหัสคุณสมบัติทางกายภาพเฉพาะตัวลงในวัสดุนั้นๆ ได้ ในกรณีนี้พวกเขาใช้คิริงามิเพื่อสร้างกลไกที่เรียกว่า auxetic mechanism ซึ่งเป็นโครงสร้างอัจฉริยะที่มีพฤติกรรมสวนทางกับวัสดุทั่วไป กล่าวคือมันจะหนาขึ้นเมื่อถูกดึง และบางลงเมื่อถูกบีบอัด คุณสมบัตินี้เองที่เป็นตัวแปรสำคัญทำให้แผ่นแบนสามารถโค้งงอและตั้งตระหง่านเป็นรูปทรง 3 มิติได้

กระบวนการทำงานของระบบนี้สะท้อนให้เห็นถึงความอัจฉริยะของซอฟต์แวร์ โดยเริ่มต้นจากการที่ผู้ใช้งานเพียงแค่ป้อนดีไซน์ 3 มิติที่ต้องการเข้าสู่ระบบ จากนั้นอัลกอริทึมจะรับไม้ต่อด้วยการแปลงแบบดีไซน์เหล่านั้นให้กลายเป็นโครงข่ายของแผ่นกระเบื้องสี่เหลี่ยมชิ้นเล็กๆ ที่เชื่อมต่อกันด้วยบานพับแบบหมุนได้ที่มุมของแต่ละชิ้น ระบบจะทำหน้าที่คำนวณหาจุดยกที่น้อยที่สุดที่เชือกต้องออกแรงดึงเพื่อกางโครงสร้างทั้งหมดให้สมบูรณ์ พร้อมทั้งประมวลผลหาเส้นทางเดินเชือกที่สั้นที่สุดที่สามารถเชื่อมจุดเหล่านั้นและครอบคลุมขอบของโครงสร้างที่จำเป็น ขั้นตอนสุดท้ายคือการปรับจูนแรงเสียดทานให้เหมาะสมที่สุด เพื่อให้การออกแรงดึงเชือกเพียงครั้งเดียวสามารถเนรมิตโครงสร้างให้กางออกได้อย่างราบรื่น ไร้รอยต่อ ซามานเน้นย้ำว่าวิธีการนี้ถูกออกแบบมาเพื่อลดภาระของผู้ใช้ สิ่งที่พวกเขาต้องทำมีเพียงแค่การป้อนดีไซน์ ส่วนอัลกอริทึมจะจัดการงานที่เหลือโดยอัตโนมัติ จากนั้นก็นำไปผลิตชิ้นส่วนตามที่ระบบคำนวณไว้

ถอดรหัสฟิสิกส์คลาสสิกเพื่อจัดการปัญหาแรงเสียดทาน

หนึ่งในอุปสรรคที่หินที่สุดที่ทีมวิจัยต้องเผชิญคือการสร้างโมเดลจำลองที่สามารถคาดการณ์แรงเสียดทานภายในช่องเดินเชือกได้อย่างแม่นยำ ซึ่งต้องสะท้อนพฤติกรรมทางกายภาพของโลกแห่งความเป็นจริงให้ได้มากที่สุด ระหว่างการทดสอบกับโมเดลจริง ทีมงานสังเกตพบว่าการปิดขอบกระเบื้องด้านนอกเป็นเงื่อนไขสำคัญที่ทำให้การกางโครงสร้างสำเร็จลุล่วง และเส้นเชือกจำเป็นต้องเดินผ่านแผ่นขอบเหล่านั้น พวกเขาได้นำข้อสังเกตนี้มาพิสูจน์ด้วยสมการคณิตศาสตร์ ก่อนจะย้อนกลับไปศึกษาหลักการทางฟิสิกส์ดั้งเดิมเพื่อนำมากำหนดโจทย์การปรับค่าให้เหมาะสมที่สุดสำหรับการลดแรงเสียดทาน ผลลัพธ์ที่ได้คืออัลกอริทึมที่ไม่ได้ทำงานได้ดีแค่เพียงบนหน้ากระดาษ แต่สามารถนำไปสร้างเป็นโมเดลจริงที่กางตัวได้อย่างสมูท และความมหัศจรรย์ยิ่งกว่านั้นคือมันสามารถพับกลับคืนสู่สภาพแผ่นแบนราบได้ทันทีเมื่อคลายเชือกออก ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างนี้สามารถนำกลับมาใช้งานซ้ำและขนส่งได้อย่างไร้ข้อกังขา

ทลายข้อจำกัดด้านวัสดุและขนาด

จุดแข็งที่โดดเด่นและสร้างแรงสั่นสะเทือนในแวดวงวิศวกรรมจากงานวิจัยนี้ คือความยืดหยุ่นในกระบวนการผลิต ดีไซน์ที่อัลกอริทึมสร้างขึ้นมานั้นไม่ได้ผูกมัดอยู่กับเทคโนโลยีการผลิตแบบใดแบบหนึ่ง ผู้ผลิตมีอิสระในการเลือกใช้เทคนิคที่เหมาะสม ไม่ว่าจะเป็นการพิมพ์ 3 มิติ การกัดขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC การหล่อแม่พิมพ์ หรือวิธีการล้ำสมัยอื่นๆ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือการใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบผสมผสานวัสดุ ที่สามารถพิมพ์ส่วนบานพับด้วยวัสดุที่มีความยืดหยุ่น ควบคู่ไปกับการใช้วัสดุแข็งสำหรับพื้นผิวส่วนอื่น เพื่อให้โครงสร้างมีความแข็งแกร่งและยืดหยุ่นในจุดที่ต้องการอย่างพอดิบพอดี

นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังไร้ข้อจำกัดเรื่องขนาดโดยสิ้นเชิง ทีมวิจัยได้ทดสอบแนวคิดนี้ผ่านการสร้างวัตถุจริงหลากหลายรูปแบบ ตั้งแต่เฝือกดามกระดูกที่ปรับแต่งให้เข้ารูปพอดีกับสรีระของผู้ป่วยแต่ละคน อุปกรณ์ปรับพฤติกรรมสรีระที่พกพาง่าย โครงสร้างที่พักพิงฉุกเฉินรูปทรงคล้ายอิกลู ไปจนถึงเก้าอี้ขนาดเท่าคนจริงที่สามารถดึงกางได้ด้วยเชือกเพียงเส้นเดียว ซึ่งการทดสอบเหล่านี้คือเครื่องยืนยันชั้นดีว่าระบบนี้พร้อมสำหรับการใช้งานจริงในระดับสเกลของมนุษย์

สู่ภาพอนาคต: จากห้องผ่าตัดจนถึงดาวเคราะห์สีแดง

ศักยภาพของเทคโนโลยีนี้ครอบคลุมลึกไปในหลายแวดวงที่ดูผิวเผินอาจไม่มีความเกี่ยวข้องกัน แต่ล้วนแบ่งปันความต้องการเดียวกัน นั่นคือโครงสร้างที่กะทัดรัดและกางตัวได้ในพริบตา ในวงการแพทย์ เราอาจได้เห็นอุปกรณ์ขนาดจิ๋วที่สามารถฉีดเข้าสู่กระแสเลือด ก่อนจะไปกางตัวออกในตำแหน่งเฉพาะเจาะจงเพื่อทำการรักษา ซึ่งจะเป็นการปฏิวัติวงการศัลยกรรมครั้งใหญ่ ด้านการจัดการภัยพิบัติ เราอาจมีโรงพยาบาลสนามแบบแผ่นแบนที่เรียงซ้อนกันบนรถบรรทุกและพร้อมกางออกเป็นอาคารชั่วคราวภายในเวลาอันสั้นเพื่อแย่งชิงช่วงเวลาวิกฤตในการช่วยชีวิต ในโลกของหุ่นยนต์ หุ่นยนต์กู้ภัยอาจแบนตัวหลบหลีกเข้าสู่ซอกหลืบของซากปรักหักพังก่อนจะกางตัวออกเมื่อถึงจุดเป้าหมาย สำหรับวงการอวกาศ ที่พักอาศัยแบบโมดูลาร์บนดาวอังคารอาจถูกบรรจุในรูปแบบแผ่นเพื่อประหยัดพื้นที่อันมีค่าบนยานอวกาศ ก่อนที่หุ่นยนต์จะทำหน้าที่ดึงเชือกกางโครงสร้างเหล่านี้รอรับการมาเยือนของมนุษย์ และในอุตสาหกรรมก่อสร้าง โครงสร้างอาคารขนาดใหญ่อาจถูกส่งไปถึงไซต์งานแบบแบนราบ และถูกดึงกางขึ้นรูปด้วยเครนได้อย่างง่ายดาย

ความเรียบง่ายของกลไกการสั่งการคือจุดขายและข้อได้เปรียบที่ทรงพลังที่สุด ซามานได้ฝากความหวังไว้ว่า ระบบที่ให้ผู้ใช้เพียงแค่ป้อนดีไซน์และปล่อยให้อัลกอริทึมจัดการทุกอย่างจนโครงสร้างสามารถกางออกและคงรูปได้ด้วยการดึงเชือกเพียงครั้งเดียวนั้น จะกระตุ้นให้ผู้คนนำแนวทางนี้ไปประยุกต์สร้างโครงสร้างที่พับและกางได้ในรูปแบบที่หลากหลายและสร้างสรรค์ยิ่งขึ้นในอนาคต

แม้ความสำเร็จในปัจจุบันจะน่าตื่นตาตื่นใจเพียงใด แต่ทีมวิจัยของ MIT ก็ยังคงพุ่งเป้าไปยังความท้าทายใหม่ๆ เป้าหมายต่อไปของพวกเขาคือการเจาะลึกเข้าไปในโลกของโครงสร้างขนาดไมโครสำหรับประยุกต์ใช้ในร่างกายมนุษย์ ควบคู่ไปกับการไขโจทย์วิศวกรรมสถาปัตยกรรมขนาดใหญ่ เช่น การคำนวณหาความหนาของสายเคเบิลและความแข็งแรงของบานพับที่สามารถรองรับน้ำหนักมหาศาลได้ แต่สิ่งที่น่าจับตามองและอาจเป็นการก้าวกระโดดครั้งยิ่งใหญ่ที่สุด คือการพัฒนากลไกการกางตัวแบบอัตโนมัติที่ไม่ต้องพึ่งพามนุษย์หรือหุ่นยนต์ในการดึงเชือก หากสิ่งนี้บรรลุผล มันจะเปิดประตูบานใหม่สู่การปฏิบัติงานในพื้นที่ที่มนุษย์เข้าไม่ถึง เช่น ห้วงมหาสมุทรลึก หรือบนพื้นผิวดาวเคราะห์ดวงอื่น โดยผลงานวิจัยชิ้นโบแดงนี้ได้รับการนำเสนอในงานประชุมวิชาการระดับโลกอย่าง ACM SIGGRAPH Asia และได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยอย่างเป็นทางการจาก MIT

ที่มา: MIT News