"มอเตอร์เส้นผม" เล็กเท่าเส้นด้าย อนาคตของหุ่นยนต์และอุปกรณ์สวมใส่อัจฉริยะ

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์สวิสโลซาน หรือ EPFL ของประเทศสวิตเซอร์แลนด์ พัฒนา FiberMotor มอเตอร์ไฟฟ้ารูปแบบเส้นใยขนาดเล็ก มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1–3 มิลลิเมตร สามารถสร้างการเคลื่อนที่เชิงเส้นด้วยพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ทำงานเงียบ เคลื่อนไหวได้สองทิศทาง และยอมให้แรงจากภายนอกผลักหรือดึงให้เคลื่อนย้อนกลับได้ 

FiberMotor คืออะไร ? 

FiberMotor เป็นมอเตอร์เชิงเส้นที่ได้รับการออกแบบให้มีรูปร่างคล้ายเส้นด้าย โดยประกอบด้วยเส้นใยกลวงสองชั้นที่วางซ้อนกันตามแนวแกน แต่ละเส้นมีขั้วไฟฟ้าจากลวดทองแดงเคลือบฉนวนพันอยู่รอบโครงสร้าง ลวดดังกล่าวมีขนาดเล็กใกล้เคียงกับเส้นผมมนุษย์ ทำให้สามารถพัฒนามอเตอร์ที่มีขนาดกะทัดรัดและนำไปติดตั้งในพื้นที่จำกัด

หลักการทำงานเริ่มจากการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังขั้วไฟฟ้า เพื่อสร้างแรงทางไฟฟ้าสถิตที่ดึงเส้นใยทั้งสองให้เข้าหาตำแหน่งที่ตรงกัน ส่งผลให้เส้นใยด้านในเลื่อนเข้าออกภายในเส้นใยด้านนอก คล้ายกับการยืดและหดของกล้องโทรทรรศน์ เมื่อควบคุมการจ่ายแรงดันไฟฟ้าอย่างเหมาะสม ระบบจึงสามารถสร้างการเคลื่อนที่เชิงเส้นไปข้างหน้าและย้อนกลับได้

FiberMotor จะเข้ามาแก้หนึ่งในข้อจำกัดของหุ่นยนต์และอุปกรณ์ช่วยการเคลื่อนไหวในปัจจุบัน คือระบบขับเคลื่อนมักต้องอาศัยมอเตอร์และโครงสร้างแข็งที่มีน้ำหนักมาก เมื่อจะนำไปติดตั้งบนร่างกายมนุษย์ จึงอาจส่งผลต่อความคล่องตัวและความสบายของผู้สวมใส่ FiberMotor ได้ย่อส่วนกลไกขับเคลื่อนให้อยู่ในรูปแบบเส้นใยขนาดเล็ก ซึ่งสามารถนำไปจัดวางในตำแหน่งต่าง ๆ ได้ตามความต้องการ แทนที่จะรวมมอเตอร์ทั้งหมดไว้ในชุดขับเคลื่อนขนาดใหญ่เพียงจุดเดียว

นอกจากนี้ยังมี Backdrivability หรือความสามารถในการเคลื่อนที่ย้อนกลับเมื่อมีแรงจากภายนอกมากระทำ กล่าวคือ หากผู้สวมใส่ขยับร่างกายในทิศทางตรงข้ามกับแรงที่มอเตอร์กำลังสร้าง เส้นใยสามารถเลื่อนสัมพันธ์กันได้ แทนที่จะล็อกตัวเองจนขัดขวางการเคลื่อนไหว คุณสมบัตินี้มีความสำคัญต่อหุ่นยนต์สวมใส่ เพราะระบบควรช่วยเสริมการเคลื่อนไหวของมนุษย์โดยไม่สร้างแรงต้านมากเกินไป

นอกจากนี้ ระยะการเคลื่อนที่ของ FiberMotor ยังขึ้นอยู่กับความยาวของเส้นใยเป็นหลัก ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงระดับการยืดหรือหดตัวของวัสดุเหมือนกล้ามเนื้อเทียมบางประเภท ทำให้สามารถออกแบบระยะชักให้เหมาะสมกับลักษณะการใช้งานได้

ผลการทดลอง 

การทดสอบในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่า FiberMotor หนึ่งตัวสามารถรองรับน้ำหนักได้ประมาณ 75 กรัมในสภาวะหยุดนิ่ง ขณะที่การนำมอเตอร์หลายตัวมาทำงานร่วมกันช่วยเพิ่มแรงที่สร้างได้ โดยมอเตอร์ 4 ตัวสามารถยกช็อกโกแลตหนัก 46 กรัม และขยับนิ้วหุ่นยนต์ที่ทำงานผ่านระบบเส้นเอ็นได้

ทีมวิจัยยังได้นำ FiberMotor ไปติดตั้งในต้นแบบอุปกรณ์ลักษณะคล้ายเสื้อผ้าที่โอบรับบริเวณหัวเข่า เพื่อแสดงให้เห็นถึงแนวทางการผสานมอเตอร์เข้ากับสิ่งทอโดยตรง แนวคิดนี้อาจช่วยให้ระบบขับเคลื่อนสามารถกระจายไปตามส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย โดยไม่จำเป็นต้องรวมกลไกทั้งหมดไว้ในโครงสร้างแข็งเพียงชุดเดียว

ข้อจำกัดของ FiberMotor

แม้ FiberMotor จะแสดงศักยภาพในการสร้างการเคลื่อนไหวด้วยโครงสร้างขนาดเล็ก แต่ยังมีปัญหาในเรื่องระบบของการจ่ายไฟ เนื่องจากต้นแบบยังอาศัยแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าภายนอก การนำไปติดตั้งในเสื้อผ้าที่ผู้ใช้สวมใส่เป็นเวลานานจึงจำเป็นต้องพัฒนาระบบจ่ายไฟและควบคุมที่เหมาะสม รวมถึงประเมินความปลอดภัยทางไฟฟ้าอย่างละเอียด

อีกประเด็นคือแรงที่มอเตอร์แต่ละตัวสร้างได้ยังมีขนาดจำกัด การใช้งานที่ต้องออกแรงมากอาจต้องรวมเส้นใยหลายเส้นเข้าด้วยกัน ซึ่งจะทำให้ต้องพิจารณาความซับซ้อนของระบบควบคุม การกระจายแรง และพื้นที่สำหรับติดตั้งมอเตอร์เพิ่มเติม ด้านวัสดุและการผลิต นักวิจัยกำลังศึกษาการปรับปรุงโครงสร้างมอเตอร์ให้มีประสิทธิภาพและทนทานยิ่งขึ้น รวมถึงการพัฒนาขั้วไฟฟ้าที่บางลงและใช้วัสดุฉนวนเป็นองค์ประกอบหลักมากขึ้น ตลอดจนการเลือกวัสดุที่เหมาะสมกับการเคลื่อนไหวซ้ำ ๆ การเสียดสี และการดัดงอในระยะยาว

หากต้องการผลิต FiberMotor ในระดับอุตสาหกรรม ยังจำเป็นต้องควบคุมคุณภาพของเส้นใย ขดลวด ฉนวน และช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนให้มีความสม่ำเสมอ รวมถึงพัฒนากระบวนการประกอบเข้ากับสิ่งทอที่มีต้นทุนเหมาะสม

FiberMotor เป็นผลงานที่ต่อยอดจากงานวิจัยของ Soft Transducers Laboratory ภายใต้ EPFL ซึ่งก่อนหน้านี้ได้พัฒนาปั๊มที่มีรูปทรงเป็นเส้นใยและสามารถผสานเข้ากับสิ่งทอได้เช่นกัน การพัฒนาระบบขับเคลื่อนในรูปแบบเส้นใยจึงเป็นอีกแนวทางที่ช่วยขยายความเป็นไปได้ของอุปกรณ์ที่มีทั้งส่วนสร้างแรงและกลไกการทำงานอยู่ในโครงสร้างที่ยืดหยุ่น

นอกจากนี้ หนึ่งในสมาชิกทีมวิจัยยังได้ก่อตั้ง Elecsyor สตาร์ตอัปที่มุ่งนำเทคโนโลยีมอเตอร์ชนิดนี้ไปพัฒนาสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์ ซึ่งเป็นก้าวสำคัญในการผลักดันผลงานจากห้องปฏิบัติการไปสู่การพัฒนาผลิตภัณฑ์จริง