เยอรมนีพัฒนาวัสดุใหม่ เก็บพลังงานมากขึ้น 160 เท่า ปูทางหุ่นยนต์เก่งขึ้นในอนาคต
หนึ่งในปัจจัยที่จะทำให้หุ่นยนต์ หรือเครื่องจักรทำงานได้ดี คือการจัดเก็บและปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างมีประสิทธิภาพ ล่าสุดสถาบันเทคโนโลยีคาร์ลสรูเออ (KIT) ในประเทศเยอรมนี ร่วมกับทีมวิจัยจากประเทศสหรัฐอเมริกาและจีน ได้พัฒนาเทคโนโลยีจัดเก็บพลังงานให้ก้าวหน้าขึ้นอีกขั้น
โดยได้พัฒนา เมตาแมททีเรียลเชิงกล (Mechanical Metamaterials) ประเภทใหม่ขึ้นมา ซึ่งสามารถจัดเก็บและปล่อยพลังงานแบบยืดหยุ่น (Elastic Energy) หรือพลังงานศักย์ที่เก็บไว้ในวัตถุเมื่อถูกยืด บีบอัด หรือเสียรูป และสามารถกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพ จัดเก็บพลังงานได้สูงกว่าเมตาแมทีเรียลที่มีอยู่แล้ว 2 - 160 เท่า
ทั้งนี้เมตาแมทีเรียล คือวัสดุที่ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษ โดยมีการจัดเรียงองค์ประกอบโครงสร้างขนาดเล็กอย่างแม่นยำ เพื่อให้วัสดุมีพฤติกรรมเชิงกลหรือมีคุณสมบัติที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ
โดยนวัตกรรมนี้ นักวิจัยได้ออกแบบเมตาแมททีเรียลออกมาเป็นแท่งที่บิดแน่นเป็นเกลียว และจัดเรียงตามรูปแบบเฉพาะที่พัฒนาขึ้น ปีเตอร์ กัมบช์ (Peter Gumbsch) ศาสตราจารย์ด้านกลศาสตร์วัสดุจากสถาบันวัสดุประยุกต์ (IAM) ของ KIT กล่าวว่า ในตอนแรก พวกเขาตรวจพบกลไกในการกักเก็บพลังงานจำนวนมากในวัสดุแท่งกลมธรรมดา โดยไม่ทำให้วัสดุแตกหักหรือเสียรูปถาวร จากนั้นจึงได้มีการพัฒนาปรับปรุงด้วยการจัดเรียงแท่งอย่างชาญฉลาดจนประสบความสำเร็จ
นักวิจัยได้เปรียบเทียบการบิดแท่งเป็นเกลียว กับการโค้งงอของสปริง ซึ่งผิวด้านบนและด้านล่างของสปริงจะเกิดการยืดและการบีบอัด เกิดความเครียดสูง ซึ่งจะนำไปสู่การแตกหักหรือการเสียรูปถาวร แต่บริเวณอื่น ๆ ภายในแท่งสปริงนั้นกลับมีความเครียดต่ำมาก ซึ่งแปลว่าไม่มีการจัดเก็บพลังงานไว้เลย แต่หากแท่งถูกบิดแทนการงอ พื้นผิวทั้งหมดของแท่งจะได้รับแรงเครียดสูง ซึ่งแปลว่าสามารถกักเก็บพลังงานได้มากขึ้นโดยไม่ทำให้วัสดุเกิดการเสียรูป
ที่น่าสนใจคือวัสดุใหม่นี้สามารถมีคุณสมบัติที่หลากหลาย คือมีความแข็งสูง ทนทานสูง และมีความยืดหยุ่นพิเศษ นักวิจัยได้ใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อทดสอบการบีบอัด ยืนยันว่าความสามารถในการกักเก็บพลังงานของวัสดุสูงกว่าเมตาแมทีเรียลอื่น ๆ ที่มีอยู่แล้วประมาณ 2 ถึง 160 เท่า ซึ่งกัมบส์อธิบายว่า การรวมคุณสมบัติที่ขัดแย้งกัน ให้อยู่ในวัสดุเดียวกันนี้เองที่เป็นความท้าทาย แต่พวกเขาก็สามารถสร้างวัสดุที่สามารถยืดหรือบีบอัดได้ในขณะที่ยังคงกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้ขึ้นมาสำเร็จ
การประยุกต์ใช้ในอนาคตด้านหุ่นยนต์และการกักเก็บพลังงาน
นวัตกรรมนี้มีศักยภาพในการใช้งานที่หลากหลาย เช่น อาจนำไปสู่ความก้าวหน้าครั้งสำคัญด้านหุ่นยนต์ประหยัดพลังงาน ระบบกลไก และโครงสร้างแบบยืดหยุ่นที่สามารถใช้พลังงานสูงสุดได้ในขณะที่ยังคงความแข็งแกร่งและความทนทานไว้ได้
กัมบช์กล่าวว่า “เมตาแมทีเรียลชนิดใหม่ของเราซึ่งมีความสามารถในการกักเก็บพลังงานยืดหยุ่นสูง มีศักยภาพที่จะนำไปใช้งานในด้านต่าง ๆ ที่ต้องมีทั้งการกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพและคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมในอนาคตได้”
ทั้งนี้ หากหุ่นยนต์ใช้วัสดุดังกล่าว อาจทำให้หุ่นยนต์มีความยืดหยุ่นและทนทานมากขึ้น โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติในการยืดและคืนตัวโดยไม่แตกหัก หรือหากใช้คุณสมบัติการบิดที่มีประสิทธิภาพนี้เพื่อสร้างข้อต่อหุ่นยนต์โดยลดการใช้บานพับแบบดั้งเดิม ก็สามารถเพิ่มประสิทธิภาพให้การเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ได้
ส่วนเครื่องจักรประหยัดพลังงาน (Energy-efficient machines) หรือเครื่องจักรที่ออกแบบมาให้ใช้พลังงานคุ้มค่าที่สุด เช่น ยานพาหนะพลังงานไฟฟ้า (EV) หลอดไฟ LED เป็นต้น ก็อาจจะใช้ประโยชน์จากนวัตกรรมนี้ ทำให้จัดเก็บและปล่อยพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีขึ้น
ความก้าวหน้านี้ จึงนับว่าอาจเป็นอีกหนึ่งนวัตกรรมที่จะปูทางไปสู่เทคโนโลยีที่แข็งแกร่งขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และใช้งานได้ยาวนานขึ้น
งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสารเนเจอร์ (Nature) ฉบับวันที่ 15 มีนาคม 2025