หุ่นยนต์ทำงานด้วยกล้ามเนื้อหัวใจ

หลังจากการพัฒนาหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่มีรูปร่างคล้ายมนุษย์สำเร็จ นักวิจัยเริ่มเห็นแนวโน้มความเป็นไปได้ที่หุ่นยนต์รุ่นต่อไปกำลังก้าวเข้าสู่ยุค “แอนดรอยด์” ดังปรากฏในภาพยนตร์จากฮอลลีวูด แอนดอยด์แตกต่างจากฮิวแมนนอยด์ตรงที่สัญญานควบคุมไม่ได้มาจากคอมพิวเตอร์ทั้งหมด หากแต่อาศัยการทำงานร่วมกับเนื้อเยื่อ กล้ามเนื้อและอวัยวะของมนุษย์ จนกระทั่งถึงรับสัญญานจากสมองมนุษย์

คุณมอนเตแมกโน จากมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลิส ได้พัฒนาหุ่นยนต์ขนาดจิ๋ว (Microrobot) ที่มีขนาดเพียงครึ่งหนึ่งของเส้นผ่าศูนย์กลางเส้นผมมนุษย์ หุ่นยนต์ทำมาจากซิลิคอน ขาของหุ่นยนต์ตัวนี้ใช้พลังงานขับเคลื่อนจากจังหวะการทำงานของกล้ามเนื้อหัวใจมนุษย์ (Pulse) ถือว่าเป็นครั้งแรกในวงการหุ่นยนต์ที่ใช้พลังงานประเภทนี้  วงการแพทย์เชื่อว่าการพัฒนาครั้งนี้สามารถนำไปสู่การคิดค้นอุปกรณ์ขนาดจิ๋วช่วยเหลือผู้ป่วยอัมพาตที่ไม่สามารถหายใจตามธรรมชาติอย่างสะดวก นอกจากนี้องค์การนาซ่าผู้ให้ทุนวิจัยแก่ทีมงานของคุณมอนเตแมกโน ได้ตั้งความหวังถึงขั้นสร้าง “Musclebots” คลานไปตามปีกและลำตัวของอวกาศยาน (Spacecraft) เพื่อซ่อมแซมรูพรุนต่างๆที่เกิดพุ่งชนของสะเก็ดดาวเล็กๆ

หุ่นยนต์ต้นแบบที่ทำจากซิลิกอนนี้มีลักษณะเป็นชิ้นส่วนโค้ง ขนาด 50 ไมโครมิเตอร์ โดยที่ผิวข้างใต้ ได้มีปลูกเส้นใยเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อหัวใจ (โปรดดูภาพประกอบ) การหดและคลายตัวของเนื้อเยื่อหัวใจนี่เองที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของโครงสร้างซิลิกอน  นักวิจัยใช้ อนุมูลกลูโคลสพื้นฐานเป็นพลังงานให้แก่เนื้อเยื่อหัวใจ ในแง่ของการใช้งานจริง เราสามารถเคลือบกลูโคลสบนผิวพื้นที่ที่ต้องการให้หุ่นยนต์คลานไปทำงานไป เมื่อเปรียบเทียบมอเตอร์ขนาดจิ๋ว (Micromotors) ที่นอกจากจะผลิตยากแล้ว แหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ขับเคลื่อนหากเป็นแบตเตอรีถือว่ามีพิษไม่เหมาะที่จะถูกฝังอยู่ในร่างกายมนุษย์ และต้องมีภาระแบกไปบนตัวหุ่นยนต์ด้วย

ชิ้นส่วนซิลิกอนที่ผมกล่าวถึงนี้เป็นตัวอย่างของ Microelectromechanical Systems (MEMS) การใช้เนื้อเยื่อที่มีชีวิตมาเป็นต้นกำลังขับจึงเป็นการผสมผสาน MEMS เข้ากับสาขาของวิศวกรรมชีวภาพ (Bioengineering) และนี่คือคำแนะนำของผมต่อน้องๆ ทุนกระทรวงวิทย์ที่อยู่ระหว่างเลือกสาขางานวิจัยที่มีศักยภาพในอนาคต

ทีมวิจัยได้ค้นพบวิธียึดเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อสู่พื้นผิวสสารเช่นซิลิกอนได้อย่างอัตโนมัติ ชิ้นส่วนโค้งซิลิกอนผลิตจากอุปกรณ์ในอุตสาหกรรมไมโครชิปทั่วๆไป หลังจากนั้นไปเคลือบด้วยโพลีเมอร์ที่สามารถชะล้างได้ (Etchable Polymer) เมื่อล้างด้านล่างออกจึงรองพื้นด้วยฟิลม์ทองคำที่มีเซลล์กล้ามเนื้อสามารถมายึดเกาะได้ดี  ชิ้นส่วนนี้ถูกวางไว้ในจานที่มีเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจในสารละลายกลูโคลส ภายในสามวันเซลล์เหล่านี้จะรวมตัวกันเป็นเส้นใยที่ยึดติดกับแผ่นฟิลม์ทองคำ ในช่วงการปลูกเนื้อเยื่อนี้โครงสร้างซิลิกอนถูกยึดไว้ด้วยคานในลักษณะของการให้แรงและโมเมนต์ไว้ล่วงหน้า (Pre-stressed) เมื่อเส้นใยมีปริมาณที่ต้องการคานจึงถูกนำออกไป ทำให้เกิดความไม่สมดุลของแรง (Unbalanced forces) เมื่อมีการหดและคลายตัวของกล้ามเนื้อ จนเกิดการเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร็ว 40 ไมโครมิเตอร์ต่อวินาที

คุณมอนเตแมกโนต้องการที่จะใช้เทคโนโลยีนี้ในช่วยผู้ป่วยอัมพาตที่ Phrenic Nerves ของเขาถูกทำลายไปจนทำงานได้ไม่สมบูรณ์ ในการนี้มิได้ปล่อยหุ่นยนต์มาเดินเล่น แต่เป็นกำบังลมเทียม (Diaphram) ที่สร้างขึ้นด้วยเทคนิคในบทความนี้ต่างหากที่ช่วยให้ผู้ป่วยหายใจได้สะดวกยิ่งขึ้น ด้วยการให้เส้นใยกล้ามเนื้อที่ปลูกขึ้นช่วยกระพือแผ่น Piezoelectric จนเกิดความต่างศักย์ขนาดมิลลิโวลต์เพื่อไปกระตุ้นประสาทฟรีนิคให้ทำงานได้  ข้อดีอีกประการหนึ่งของอุปกรณ์นี้คือร่างกายจะไม่ต่อต้าน Implant ที่ทำมาจากเนื่อเยื่อของคนนั้นๆ และกลูโคลสที่ต้องการก็มาจากกระแสเลือดนั่นเอง

ส่วนความฝันของนาซ่าที่ต้องสร้างหุ่นยนต์ประเภทนี้ไปซ่อมแซมพื้นผิวยานอวกาศนั้น ผมคิดว่าคงต้องรอไปก่อน เราต้องพัฒนาส่วนสมอง (Cognitive Module) ที่แตกต่างจากที่เราคุ้นเคย ตลอดจนความสามารถในการสื่อสาร (Perception) ระหว่างกันเพื่อให้หุ่นยนต์รับภาะทำงานเป็นทีมได้ครับ

ท่านผู้อ่านสามารถส่งข้อคิดเห็น/เสนอแนะมาที่ผู้เขียนที่ djitt@fibo.kmutt.ac.th