การเพิ่มความสามารถในการยึดเกาะและการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์โดยการใช้หนังปลาฉลาม

รองศาสตราจารย์ ปรเมษฐ์ มนูญพงศ์ หนึ่งในสมาชิกของสมาคมนักวิชาชีพไทยในภูมิภาคยุโรป (The Association of Thai Professionals in European Region – ATPER) ซึ่งเป็นสมาคมที่สำนักงานที่ปรึกษาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ณ กรุงบรัสเซลส์ ได้ให้การสนับสนุน โดยเฉพาะในด้านการถ่ายทอดความรู้ด้าน วทน. สู่ประเทศไทย ได้ดำเนินงานวิจัยชิ้นใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้คุณสมบัติของหนังปลาฉลามเพื่อเสริมสร้างประสิทธิภาพให้แก่หุ่นยนต์ในการเดินบนทางลาดชันที่มีพื้นผิวที่ไม่เรียบ

รองศาสตราจารย์ ปรเมษฐ์ หัวหน้าทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการ Embodied AI and Neurorobotics (ENS) ของมหาวิทยาลัย Southern Denmark ได้กล่าวว่า หุ่นยนต์ชีวภาพ 6 ขา ซึ่งถูกพัฒนาขึ้นโดยเลียนแบบลักษณะของแมลงสาบ ได้ถูกทดสอบให้ไต่ขึ้นทางลาดที่มีพื้นผิวที่ไม่เรียบ แต่ผลทดสอบที่ได้รับกลับไม่เป็นที่น่าพอใจ การยึดเกาะบนพื้นผิวที่ไม่เรียบถือเป็นความท้าทายอย่างมากของหุ่นยนต์ โดยปกติเราสามารถใช้วัสดุที่มีพื้นผิวที่ประกอบด้วยโครงสร้างขนาดเล็กที่มีรูปทรงคล้ายถ้วย (หรือที่เรียกว่า gecko tape) มาติดบนฝาเท้าของหุ่นยนต์เพื่อเพิ่มแรงดูดต่อพื้นผิวซึ่งเลียนแบบลักษณะของฝาเท้าของตุ๊กแก แต่เมื่อหุ่นยนต์ต้องมาเดินบนพื้นผิวที่ไม่เรียบ เช่น พรมหรือไวนิลจะประสบกับปัญหากับการยึดเกาะพื้นผิวเหล่านั้น 

ทีมนักวิจัยได้พยายามค้นหาวัสดุที่จะช่วยเพิ่มความสามารถของหุ่นยนต์ในการยึดเกาะพื้นผิวจนกระทั่งมาพบกับหนังของปลาฉลามพอร์บีเกิล (porbeagle shark) โดยในสมัยก่อนชาวประมงจะใช้หนังปลาฉลามเป็นส่วนหนึ่งของฐานรองเท้าเพื่อเพิ่มความแน่นในการยึดเกาะและใช้คลุมด้ามจับของดาบเพื่อปูองกันไม่ให้ดาบไหลหลุดออกจากมือได้ 

ทีมวิจัยได้นำหนังปลาฉลามมาส่องดูภายใต้กล้องจุลทรรศน์ พบว่าหนังปลาฉลามนั้นประกอบด้วยโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเกล็ดเหมือนกับตะขอหรือฟันซี่เล็ก ๆ ซึ่งเรียกว่า “dermal denticles” ที่เรียงตัวกันอยู่แบบเอียง ข้อดีของการใช้หนังปลาฉลามก็คือ เมื่อเราลูบไปในทิศทางเดียวกันกับเกล็ดบนหนังปลาฉลามมันจะเกิดเเรงเสียดทานต่ำเหมือนให้ความรู้สึกว่ากำลังสัมผัสพื้นผิวที่เรียบเนียน แต่ถ้าเราลูบย้อนศรจะเกิดเเรงเสียดทานสูงเหมือนให้ความรู้สึกว่ากำลังลูบกระดาษทรายอยู่

รองเท้าจากหนังฉลามสำหรับหุ่นยนต์เดินได้
จากคุณสมบัติที่สามารถสร้างแรงเสียดทานที่ไม่เท่ากันของหนังปลาฉลามจะช่วยให้หุ่นยนต์สามารถยกและเคลื่อนเท้าของตัวเองไปข้างหน้าได้โดยมีแรงเสียดทานต่ำ  ในขณะเดียวกันเมื่อหุ่นยนต์วางเท้าบนพื้นผิวที่ไม่เรียบและเคลื่อนเท้าไปข้างหลังจะเกิดเเรงเสียดทานสูงทำให้หุ่นยนต์ยึดเกาะพื้นได้ดีและเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในงานวิจัยนี้นักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัย Kiel ประเทศเยอรมนีซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทีมวิจัยได้นำหนังปลาฉลามไปทำให้นุ่มผ่านการใช้น้ำและจากนั้นได้ขึ้นรูปให้เป็นรองเท้าจ้านวน 6 ข้าง เพื่อนำไปสวมใส่ให้กับหุ่นยนต์แมลงสาบซึ่งมี 6 ขา ด้วยรองเท้านี้หุ่นยนต์สามารถไต่ขึ้นทางลาดชันได้อย่างง่ายดาย

นอกจากนี้การทดลองยังพิสูจน์ให้เห็นว่าการใช้หนังปลาฉลามยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางพลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยไม่ว่าหุ่นยนต์จะเดินบนพื้นผิวประเภทไหน หนังฉลามที่อยู่ตรงเท้าของหุ่นยนต์จะช่วยลดการใช้พลังงานได้ถึงร้อยละ 50 ซึ่งถือเป็นทางออกที่คุ้มค่าในการแก้ปัญหาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์

ข้อจำกัดของหนังฉลาม
แต่ข้อจำกัดของการใช้หนังฉลามก็คือมันเสื่อมสภาพและแตกหักได้ง่ายเมื่อมีการใช้งานเพียงไม่กี่ครั้งบนทางลาดชันที่มีพื้นผิวที่ไม่เรียบด้วยเหตุนี้ทีมนักวิจัยจึงพยายามคิดค้นวัสดุเลียนแบบหนังฉลามที่มีความแข็งแรงและทนทานมากกว่า แต่ยังสามารถรักษาคุณสมบัติเด่นทั้งความเรียบและความสามารถในการยึดเกาะของหนังปลาฉลามไว้ได้

รองศาสตราจารย์ ปรเมษฐ์ ขณะนี้ได้ร่วมมือกับมหาวิทยาลัย Kiel ประเทศเยอรมนีและมหาวิทยาลัยการบินและอวกาศนานจิง (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics) ประเทศจีน ในการพัฒนาตัวต้นแบบของหนังปลาฉลามเทียม แต่อย่างไรก็ตามนวัตกรรมนี้ก็ยังไม่สามารถจำลองแรงเสียดทานได้อย่างมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับหนังฉลามจริง ๆ ซึ่งทีมงานวิจัยก็กำลังศึกษาวิจัยต่อไปเพื่อแก้ไขข้อจำกัดอันนี้ 

รองศาสตราจารย์ ปรเมษฐ์ ได้เน้นย้ำว่าการพัฒนาหนังปลาฉลามเทียมที่เลียนแบบคุณสมบัติพิเศษของหนังปลาฉลามสามารถนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ได้หลายด้านไม่ใช่แค่กับวงการหุ่นยนต์ โดยหนังปลาฉลามเทียมสามารถนำไปใช้เป็นวัสดุผลิตรองเท้าสำหรับผู้ที่มีภาวะปลายเท้าตก (foot drop) และผู้สูงอายุที่ประสบปัญหาไม่สามารถยกเท้าของตนเองขึ้นได้

ข้อมูลเพิ่มเติมของงานวิจัยนี้สามารถศึกษาได้จาก: https://www.nature.com/articles/srep39455