นวัตกรรมไมโครโรบอตขับเคลื่อนด้วยคลื่นเสียง ไร้แบตเตอรี่

ทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการระบบหุ่นยนต์ชีวภาพขนาดเล็ก (MICROBS) คณะวิศวกรรมศาสตร์ แห่งสถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์สวิส โลซาน (EPFL) สวิตเซอร์แลนด์ ประสบความสำเร็จในการพัฒนานวัตกรรมหุ่นยนต์และโดรนจิ๋ว หรือไมโครโรบอต ที่สามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องพึ่งพาแบตเตอรี่ มอเตอร์ หรือชิ้นส่วนกลไกแบบเดิม แต่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานจากคลื่นเสียงรอบตัว ซึ่งนับเป็นก้าวสำคัญที่จะเปลี่ยนโฉมหน้าอุตสาหกรรมเทคโนโลยีขนาดเล็กทั่วโลก 

◾️ความท้าทายของอุปกรณ์ขนาดจิ๋วที่ไร้พลังงาน ◾️

การย่อขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้เกิดประโยชน์ในหลากสาขา ตั้งแต่การแพทย์ไปจนถึงอวกาศและความมั่นคง แต่การลดขนาดอุปกรณ์กลับเผชิญทางตันเมื่อโครงสร้างมีขนาดเล็กเกินกว่าจะบรรจุแบตเตอรี่หรือมอเตอร์ทั่วไปได้ 

แม้ก่อนหน้านี้จะมีความพยายามใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ยิงพลังงานจากระยะไกลเพื่อชาร์จไฟให้โดรน แต่แนวทางดังกล่าวก็ยังจำเป็นต้องติดตั้งแบตเตอรี่หรือตัวเก็บพลังงานไว้ในตัวเครื่องอยู่ดี ทำให้อุปกรณ์ยังมีน้ำหนักและขนาดที่จำกัด

◾️การปฏิวัติด้วยพลังงานเสียงและการสั่นพ้องเฮล์มโฮลทซ์ ◾️

และเพื่อก้าวข้ามขีดจำกัดนี้ ทีมวิจัยของ EPFL นำโดย เซลแมน ซาคาร์ (Selman Saka) หัวหน้าห้องปฏิบัติการ ได้นำหลักการทางวิทยาศาสตร์พื้นฐานอย่างการสั่นพ้องแบบเฮล์มโฮลทซ์  (Helmholtz resonance) มาประยุกต์ใช้ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์เดียวกับการเป่าลมผ่านปากขวดแก้วแล้วเกิดเสียงฮัมจากแรงสั่นสะเทือนของอากาศภายใน 

โดยทีมนักวิจัยได้ออกแบบโครงสร้างกลวงรูปทรงกระดิ่งด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ จากวัสดุจำพวกพลาสติก แก้ว หรือโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูง เพื่อทำหน้าที่เป็นโพรงเก็บเสียงจิ๋ว

กระบวนการขับเคลื่อนเกิดขึ้นเมื่อคลื่นเสียงภายนอกเดินทางไปกระตุ้นให้อากาศภายในโพรงเกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง จนสร้างกระแสลมพ่นออกมาภายนอกในทิศทางที่กำหนดอย่างเข้มข้น ขณะที่อากาศที่ไหลย้อนกลับเข้าไปจะมีลักษณะกระจายตัวมากกว่า ความไม่สมดุลของกระแสลมเข้าและออกนี้เองที่ก่อให้เกิดแรงผลักดันเชิงกล ส่งผลให้หุ่นยนต์จิ๋วสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้อย่างมีทิศทาง

◾️บทพิสูจน์จากการทดสอบใช้งานจริง ทั้งทางน้ำและทางอากาศ◾️

เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของแนวคิดนี้ ทีมวิจัยได้สร้างเรือขนาดเล็กที่ติดตั้งโพรงเก็บเสียงสามชุด ซึ่งแต่ละชุดจะถูกปรับแต่งให้ตอบสนองต่อคลื่นความถี่เสียงที่แตกต่างกัน ช่วยให้ผู้ควบคุมสามารถเปลี่ยนความถี่เสียงเพื่อสั่งการให้เรือเคลื่อนที่ไปในทิศทางต่าง ๆ ได้ตามต้องการ

นอกจากนี้ ทีมงานยังได้สร้างอุปกรณ์บินได้ขนาดเล็กพิเศษที่เรียกว่า ไมโครไฟลเออร์  (Microfliers) ซึ่งมีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษเพียง 150 ไมโครกรัม โดยติดตั้งโพรงเก็บเสียงขนาดเล็กสามโพรง และขับเคลื่อนด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงพิเศษหรืออัลตราโซนิกที่หูมนุษย์ไม่ได้ยิน ทำให้โดรนจิ๋วเหล่านี้บินไปข้างหน้าได้อย่างน่าทึ่ง 

และนักวิจัยยังได้ผสานโพรงเก็บเสียงเข้ากับใบพัดขนาดเล็ก โดยแรงขับเคลื่อนจากคลื่นเสียงสามารถทำให้ใบพัดหมุนด้วยความเร็วสูงถึง 13,000 รอบต่อนาที ซึ่งนับว่าสูงกว่าความเร็วรอบของโดรนขนาดทั่วไปหลายเท่าตัว

อนาคตใหม่แห่งเทคโนโลยีการแพทย์และวิศวกรรมขั้นสูง การค้นพบครั้งนี้จะช่วยปูทางไปสู่การสร้างอุปกรณ์และหุ่นยนต์อัจฉริยะที่ทำงานได้โดยปราศจากแบตเตอรี่และมอเตอร์ รวมถึงการพัฒนาอุปกรณ์ที่มีความยืดหยุ่นสูงซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างที่ตอบสนองต่อเสียงหลายความถี่พร้อมกัน ช่วยให้แต่ละส่วนของอุปกรณ์สามารถเคลื่อนไหวแยกจากกันได้อย่างเป็นอิสระ

โดยการพัฒนาต่อยอดไปใช้งานในอนาคต เช่น เทคโนโลยีการแพทย์ที่เป็นมิตรต่อร่างกายมนุษย์ เช่น หุ่นยนต์นำส่งยาขนาดเล็กในเส้นเลือด หรืออุปกรณ์ตรวจวัดสุขภาพขนาดจิ๋วที่ฝังในร่างกายได้อย่างปลอดภัยไร้สารเคมีจากแบตเตอรี่ เป็นต้น