‘วัสดุที่โปรแกรมได้’ เปลี่ยนคุณสมบัติได้ตามสภาวะที่กำหนด

เมื่อสมัยเด็ก ๆ คุณผู้อ่านหลายท่านคงเคยเล่นของเล่นที่เป็นไดโนเสาร์ยางตัวเล็ก ๆ ที่แช่น้ำนาน ๆ แล้วมีขนาดใหญ่ขึ้น แต่เมื่อนำมาวางในที่แห้งก็ค่อย ๆ กลับไปเล็กเหมือนเดิม หรือรถยนต์ของเล่นที่สามารถเปลี่ยนสีได้เมื่อแช่ตู้เย็น

และเมื่ออุณหภูมิกลับมาปกติก็เปลี่ยนสีกลับมาเป็นสีเดิม ของเล่นเหล่านี้เป็นวัสดุที่สามารถโปรแกรมได้ คำว่า ‘โปรแกรมได้’ หมายถึง Output จะออกมาเป็นเช่นไร ขึ้นอยู่กับ Input ซึ่งตัวกระตุ้นก็มีหลายอย่างที่จะทำให้วัสดุมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติตามสภาวะ ทำให้มีประโยชน์การใช้งานมากมาย สามารถตอบโจทย์ผู้ใช้งานได้มากขึ้น อย่างเช่น ฟูกนอนผู้ป่วยที่สามารถปรับสรีระได้เพื่อป้องกันแผลกดทับ หรือเก้าอี้ที่ปรับให้นั่งสบายขึ้นได้ตามแรงกดจากผู้นั่ง หรือเนื้อผ้าที่สามารถหดกระชับเข้ากับตัวผู้ใส่ได้เมื่อโดนความร้อน นอกจากตอบโจทย์ของผู้ใช้งานแล้ว วัสดุที่ปรับคุณสมบัติสามารถมีการใช้งานได้ทั้ง 2 สภาวะ ทำให้มีโอกาสใช้งานได้คุ้มกว่าการใช้งานที่มีหลากหลายรูปแบบ การที่จะทำเช่นนั้นได้ต้องมีส่วนประกอบ 2 ส่วน คือ วัสดุที่ใช้ผลิต (พลาสติก โลหะอัลลอย ฯลฯ) และอภิวัสดุ (Metamaterials) เครดิตข้อมูล: www.Bloggang.com คือ การนำวัสดุมาผลิตขึ้นเป็นโครงสร้างภายในมีกลไกที่เลือกปรับเปลี่ยนคุณสมบัติได้ตามสิ่งกระตุ้นและย้อนกลับได้ ทำให้วัสดุมีคุณสมบัติที่แต่เดิมไม่มีในเนื้อวัสดุนั้น เช่น การทำเป็นโครงข่ายที่สามารถปรับได้ ยืดหดได้ อ่อนตัว แข็งตัว ‘วัสดุที่โปรแกรมได้’ สามารถแทนที่ระบบทั้งหมดซึ่งประกอบด้วยเซนเซอร์ ตัวควบคุม ตัวกระตุ้น (Actuator) เพื่อลดความซับซ้อนของระบบและลดการใช้ทรัพยากร โดยการรวมฟังก์ชันต่าง ๆ เข้าไปในวัสดุโดยตรง

วัสดุที่สามารถโปรแกรม (Programmable Materials) สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างและคุณสมบัติต่าง ๆ ได้ในลักษณะที่ควบคุมและย้อนกลับได้ตามสภาวะหรือสิ่งเร้าที่คิดไว้ล่วงหน้า 

โครงสร้างที่ซับซ้อนประกอบด้วยแต่ละองค์ประกอบที่เหมือนกันจำนวนมาก ผลิตด้วยการพิมพ์ 3 มิติ ตามคำกล่าวของนักวิจัยที่สถาบัน Fraunhofer IWM วัสดุนี้เรียกว่า วัสดุที่สามารถโปรแกรมได้ 

(ที่มา: Fraunhofer IWM)

วัสดุที่โปรแกรมได้สามารถปรับโดยอิสระให้เข้ากับสภาวะที่เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น ปรับให้ท่าทางการนั่งหรือนอนที่สะดวกสบายมากขึ้นสำหรับป้องกันผู้ป่วยไม่ให้เกิดแผลกดทับ สิ่งที่รองข้างใต้เปลี่ยนรูปร่างในลักษณะที่เพิ่มหน้าสัมผัสและลดแรงดันบนส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย นักวิจัยของ Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials (CPM) ได้พัฒนาระบบที่โปรแกรมได้ดังกล่าว จากนั้นร่วมกับพันธมิตรอุตสาหกรรมนำออกสู่ตลาด และมีเป้าหมาย คือ การใช้ทรัพยากรอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

รูปด้านซ้าย คือ เซลล์ที่เหมือนกันทำจากองค์ประกอบโครงสร้าง 

รูปกลาง คือ การสร้างวัสดุที่โปรแกรมได้จากหลายเซลล์ 

รูปด้านขวา คือ แบบสาธิตพิมพ์ 3 มิติ

(ที่มา: Fraunhofer IWM)

การผสานรวมกันอย่างชาญฉลาดของวัสดุและโครงสร้างจุลภาค

นักวิจัยที่ Fraunhofer IWM มี 2 วิธีพื้นฐานในการสร้างคุณสมบัติ อย่างแรก คือ วัสดุฐาน เช่น เทอร์โมพลาสติกที่สามารถหลอมละลายได้ หรือโลหะผสมที่มีคุณสมบัติจดจำรูปร่างได้ (Shape Memory) อย่างที่ 2 คือ โครงสร้างจุลภาคของสิ่งที่เรียกกันว่า อภิวัสดุ (Metamaterials) ซึ่งวัสดุที่มาสร้างเป็นโครงสร้างมีกลไกภายใน ประกอบด้วยเซลล์แต่ละเซลล์ มีองค์ประกอบโครงสร้างต่าง ๆ อย่างคานเล็กและเปลือกบาง ๆ ในขณะที่เซลล์ของวัสดุทั่วไปอย่างโฟม จะมีลักษณะคละกัน ไม่เท่ากัน แต่เซลล์ของอภิวัสดุจะมีการผันแปรแต่มีขนาดที่แม่นยำ โดยการโปรแกรมเป็นลักษณะที่แรงดันจากจุดหนึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่ต้องการในจุดอื่น ๆ อย่าง ในกรณีของฟูกนอน เป็นวิธีที่พื้นผิวรองรับถูกปรับเปลี่ยนได้

วัสดุตอบสนองต่อ ‘สิ่งกระตุ้น’ อื่น ๆ ตุ้นที่วัสดุต้องตอบสนอง อาจเป็นความเครียดเชิงกล ความร้อน ความชื้น หรือแม้กระทั่งสนามไฟฟ้าหรือแม่เหล็ก สามารถกำหนดได้ด้วยตัวเลือกของวัสดุและโครงสร้างจุลภาค วัสดุที่สามารถโปรแกรมได้ยังปรับเปลี่ยนวัตถุเข้ากับการใช้งานหรือบุคคลที่เกี่ยวข้องได้ สามารถสร้างมูลค่าเพิ่มได้ ทำให้สิ่งต่าง ๆ สามารถใช้ได้หลายฟังก์ชันกว่าที่เคย ไม่ต้องเปลี่ยนบ่อย คุณสมบัติเหล่านี้เป็นสิ่งที่ดีต่อการใช้ทรัพยากรให้คุ้มค่า

วัสดุที่สามารถโปรแกรมได้ในทางปฏิบัติ

จากข้อมูลของนักวิจัย IWM วัสดุเพียงชิ้นเดียวยังสามารถแทนที่ระบบทั้งหมดซึ่งประกอบด้วยเซนเซอร์ ตัวควบคุม และตัวกระตุ้นการทำงาน โดยมีเป้าหมาย คือ การลดความซับซ้อนของระบบและลดการใช้ทรัพยากร ด้วยการรวมฟังก์ชันเข้าไปในวัสดุโดยตรง ซึ่งทำได้ที่ Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials (CPM) เมื่อการพัฒนาวัสดุโปรแกรมได้เน้นไปที่ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม จึงเป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาว่าวัสดุที่สามารถโปรแกรมได้มีความเหมาะสมสำหรับการผลิตแบบจำนวนมากและมีความทนทานหรือไม่

นักวิจัยเน้นว่าโปรเจคนำร่องแรกที่ร่วมกับพันธมิตรอุตสาหกรรมกำลังจะดำเนินการอยู่ วัสดุที่โปรแกรมได้คาดว่าจะเริ่มแทนที่แต่ละส่วนประกอบในระบบที่มีอยู่ หรือใช้ในการใช้งานพิเศษ ซึ่งอาจเป็นที่นอนทางการแพทย์ ที่นั่ง พื้นรองเท้า และชุดป้องกัน เป็นต้น จากนั้นสัดส่วนของวัสดุที่สามารถโปรแกรมได้จะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น สุดท้ายก็จะสามารถพัฒนาประโยชน์ได้ในทุกที่ เช่น Soft Robotics การวิจัยอวกาศ หรือในด้านการกีฬา เป็นต้น

ตัวอย่างอื่น ๆ ของวัสดุที่สามารถโปรแกรมได้ คุณผู้อ่านสามารถดูได้ในคลิปวีดีโอด้านล่าง

โพลิเมอร์ที่จดจำรูปร่างได้ 

การคาดการณ์อนาคตของวัสดุที่สามารถโปรแกรมได้

สสารที่โปรแกรมได้ด้วยสนามแม่เหล็กและอุณหภูมิ

พลาสติกที่หดเป็นรูปทรงที่กำหนดไว้ได้ด้วยอุณหภูมิ

บทความอ้างอิง: https://www.etmm-online.com/

บทความอื่น ๆ

• ครั้งแรกกับเทคโนโลยีการผลิตหล่อฉีดขึ้นรูปใหม่บนพื้นผิววัสดุแข็ง
• การผลิตแบบเติมวัสดุเป็นมากกว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
• รีไซเคิลผงโลหะการพิมพ์ 3 มิติ เพื่อใช้วัสดุอย่างคุ้มค่า เพิ่มความยั่งยืน 
• การเลือกใช้วัสดุเพื่อการก่อสร้างน้ำหนักเบาจะต้องคำนึงถึงอะไรบ้าง?

About The Author