วัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้อย่างอิสระโดยการควบคุมด้วยแรงลมและคอมพิวเตอร์

          เราคงเคยเห็นในภาพยนตร์แนวสายลับที่ตัวเอกไปสอดแนมตามที่ต่าง ๆ และมีการใช้เครื่องมืออัจฉริยะ ซึ่งเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่มีความยืดหยุ่นสูง (อาจเรียกได้ว่าเป็นวัสดุยืดหยุ่น 3 มิติ (3D flexible material)) วัสดุหรืออุปกรณ์ชนิดนี้สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างได้ตามที่ต้องการ โดยสามารถนำมาช่วยแก้ปัญหาตามสถานการณ์ต่าง ๆ ได้เป็นอย่างดี จะเห็นได้ว่าแนวคิดนี้เป็นสิ่งที่ค่อนข้างน่าสนใจถ้าสามารถนำมาประยุกต์ใช้ได้จริงในเชิงปฏิบัติ ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีของเครื่องบิน ถ้ามีการติดตั้งวัสดุชนิดนี้เข้าไปเป็นส่วนประกอบหนึ่งบริเวณปีกของเครื่องบิน เราอาจจะสามารถควบคุมวัสดุชนิดนี้ให้มีรูปร่างได้ตามแบบที่ต้องการเมื่อเครื่องทำการบิน โดยการใช้ส่วนควบคุมแค่ส่วนเดียวโดยไม่ต้องติดตั้งส่วนประกอบอื่น ๆ เพิ่มเติม หรือแม้แต่การสร้างเนื้อเยื่อเทียมทางการแพทย์ เราอาจจะสามารถจำลองการทำงานของวัสดุชนิดนี้ให้ใกล้เคียงกับอวัยวะจริงมากที่สุด

ลักษณะการประยุกต์ใช้งานวัสดุยืดหยุ่นในด้านการบิน และด้านการแพทย์ ^[1]

          อย่างที่เราทราบกันว่าเทคโนโลยีการสร้างวัสดุ 3 มิติ สามารถทำได้โดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D printer) อย่างไรก็ตามด้วยข้อจำกัดทางเทคนิคการพิมพ์แบบดั้งเดิม ชิ้นงานวัสดุ 3 มิติที่ได้มักจะอยู่ในรูปแบบของแข็ง ซึ่งมีความยืดหยุ่นต่ำ จึงไม่เหมาะสมในการนำไปประยุกต์ใช้ในงานเฉพาะบางประเภท ในปัจจุบันจึงมีการพัฒนาเทคนิคการพิมพ์ 3 มิติแบบใหม่ ^[2] ที่สามารถสร้างวัสดุยืดหยุ่นที่มีความยืดหยุ่นสูงได้ จึงทำให้เกิดการประยุกต์ใช้งานในเชิงวัสดุหรืออุปกรณ์ชนิดใหม่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว


          เมื่อทำการสร้างวัสดุยืดหยุ่น 3 มิติได้แล้ว การควบคุมวัสดุยืดหยุ่นให้สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างได้อย่างอิสระตามความต้องการของผู้ใช้งาน เป็นความท้าทายอย่างมาก เนื่องจากเราจะทำให้วัสดุยืดหยุ่นที่สร้างขึ้นได้มีการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น เมื่อเร็ว ๆ นี้ ทีมนักวิจัยจากประเทศฝรั่งเศส ^[3] ได้สร้างวัสดุยืดหยุ่น 3 มิติที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างได้อย่างอิสระตามการป้อนแรงลมเข้าไปในตัววัสดุ โดยถูกเรียกว่า แผ่นยืดหยุ่นที่ถูกกระตุ้นด้วยความดัน (Pressure-actuated baromorph plate) ในขั้นตอนการสร้างวัสดุยืดหยุ่นนั้น เริ่มต้นนักวิจัยได้นำพอลิเมอร์โพลิไวนิลไซลอกเซน (Polyvinyl siloxane) มาขึ้นด้วยรูปด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โดยออกแบบให้กลายเป็นแผ่นวัสดุพิเศษที่มีช่องว่างอากาศภายในโครงสร้าง เนื่องด้วยโพลิเมอร์ชนิดนี้มีความยืดหยุ่นสูง จึงส่งผลให้เมื่อป้อนแรงดันลมเข้าไปวัสดุจะเกิดความยืดหยุ่น โดยเกิดการขยายตัวและหดตัวเป็นรูปร่างเฉพาะที่แตกต่างกัน ในการออกแบบขั้นต้นนั้น เป็นที่น่าสนใจว่าแผ่นยืดหยุ่นที่สังเคราะห์ขึ้น นักวิจัยสามารถควบคุมรูปร่างของมันให้มีรูปร่างคล้ายการเติบโตของพืชตามธรรมชาติ ดังเช่น สาหร่าย Acetaburalia โดยการป้อนแรงดันลมในปริมาณที่แตกต่างกันได้อีกด้วย 

หลักการการทำงานของแผ่นยืดหยุ่นที่ถูกกระตุ้นด้วยความดัน และรูปร่างที่ได้หลังจากถูกกระตุ้น ^[2]

          จากประโยคข้างต้นเราจะเห็นได้ว่ารูปร่างของแผ่นยืดหยุ่นที่เกิดขึ้น ขึ้นอยู่กับปริมาณแรงดันลมที่ป้อนเข้าไปในภายในแผ่นยืดหยุ่น เพื่อให้แผ่นยืดหยุ่นนี้สามารถสร้างรูปร่างความยืดหยุ่นที่ต้องการ นักวิจัยจึงได้ทดลองเพิ่มเติม โดยการออกแบบโครงสร้างภายในของแผ่นยืดหยุ่นให้มีรูปแบบแตกต่างกันด้วยการใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ และทำการทดลองเชิงปฏิบัติมาสนับสนุน จากผลการทดลองพบว่ารูปร่างความยืดหยุ่นที่เกิดขึ้นจากการทดลองในเชิงปฏิบัติมีความสอดคล้องอย่างดีกับการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ทำให้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการออกแบบโครงสร้างแผ่นยืดหยุ่นให้มีรูปร่างตามความต้องการได้ นอกจากนั้นนักวิจัยได้ทดลองให้แผ่นยืดหยุ่นสามารถสร้างรูปร่างที่มีความซับซ้อนสูง เช่น ใบหน้าของมนุษย์ อีกด้วย จากผลการทดลองพบว่าเมื่อป้อนแรงดันลมในปริมาณที่เหมาะสมเข้าไปก็สามารถทำให้เกิดรูปร่างใบหน้าตามที่ต้องการตามการออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์
 

ลักษณะรูปร่างที่เกิดขึ้นจากแผ่นตัวอย่าง ซึ่งมีการออกแบบโครงสร้างภายในที่แตกต่างกัน ^[2]

          จึงสรุปได้ว่า งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการออกแบบควบคุมวัสดุยืดหยุ่น 3 มิติ ให้มีรูปร่างตามที่ต้องการ ซึ่งแนวคิดนี้เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีวัสดุอัจฉริยะ (Smart material) ที่เป็นเทคโนโลยีแบบใหม่ โดยเทคโนโลยีนี้มุ่งเน้นให้มีการออกแบบ การสร้าง และการใช้งานที่ไม่ซับซ้อน โดยต้องมีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะที่สามารถนำมาใช้สร้างเป็นวัสดุหรืออุปกรณ์แบบใหม่ เพื่อสามารถนำมาใช้แก้ปัญหาข้อจำกัดของวัสดุหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ที่มีในปัจจุบันได้  


 

เรียบเรียงโดย

ดร.สายชล ศรีแป้น
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] Example images obtained from https://www.nasa.gov/centers/dryden/multimedia/imagegallery/X-29/index.html , and https://healthtechmagazine.net/article/2017/08/healthcare-cusp-3d-medical-printing-revolution(สืบค้นเมื่อ 11 พฤษภาคม พ.ศ. 2562)
• [2] All 10 Types of 3D Printing Technology in 2019. https://all3dp.com/1/types-of-3d-printers-3d-printing-technology/(สืบค้นเมื่อ 11 พฤษภาคม พ.ศ. 2562)
• [3] E. Siefert et al., Bio-Inspired Pneumatic Shape-Morphing Elastomers, Nature Materials 18 (2019), 24 – 28.