หุ่นยนต์ขับเคลื่อนได้เอง ไม่ต้องมีมอเตอร์ ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่

หุ่นยนต์แบบใหม่ที่สามารถออกแรงขับเคลื่อนได้เองโดยไม่ต้องใช้มอเตอร์, เซอร์โว หรือชุดจ่ายกำลังใดๆ และนี่คือ ครั้งแรกของใบพายที่สร้างขึ้นจากวัสดุที่เกิดการผิดรูปร่างได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป ถูกนำมาใช้ขับเคลื่อนหุ่นยนต์

วิศวกรจาก California Institute of Technology (Caltech) และ ETH Zurich ร่วมกันพัฒนาหุ่นยนต์ที่สามารถออกแรงขับเคลื่อนได้เอง (self-propulsion) ซึ่งการทำงานนี้มีขอบเขตอยู่ระหว่างวัสดุศาสตร์และการหุ่นยนต์ สำหรับอุปกรณ์ที่สามารถขับเคลื่อนได้เองนั้น ตัววัสดุถูกสร้างขึ้นให้มีหน้าที่เป็นกลไกอันหนึ่ง โดยใช้วัสดุโครงสร้างที่เกิดการผิดรูปร่าง (deform) ไปตามสภาพแวดล้อม เพื่อนำมาใช้ควบคุมและขับเคลื่อนหุ่นยนต์

หลักการของระบบขับเคลื่อนใหม่นี้อาศัยแถบโพลิเมอร์ที่ยืดหยุ่นตัวได้ โพลิเมอร์จะเกิดการม้วนตัวเมื่ออยู่ในสภาพเย็น และจะยืดตัวเมื่ออยู่ในสภาพอุ่น ดังนั้นจึงสามารถนำโพลิเมอร์ไปจัดวางตำแหน่งให้สามารถกระตุ้นการทำงานของสวิตช์ให้สลับไป-มาได้ภายในตัวหุ่นยนต์ และจัดเรียงชุดใบพายที่ทำให้เกิดการเคลื่อนไปข้างหน้าเหมือนกับเรือพายได้

ชุดสวิตช์สร้างขึ้นจากสารคงตัวสองสถานะ (bistable element) ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่สามารถคงรูปร่างในทางเรขาคณิตได้สองแบบ ในกรณีนี้เป็นการสร้างแถบวัสดุอิลาสติก (elastic) (วัสดุที่สามารถกลับคืนรูปร่างเดิมได้หลังจากที่ถูกทำให้ยืดหรือหยุนตัว) ซึ่งเมื่อถูกผลักโดยโพลิเมอร์ ก็จะเกิดการเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง

เมื่อหุ่นยนต์ที่เย็นเข้าไปอยู่ในน้ำอุ่น โพลิเมอร์จะยืดตัวออกไปกระตุ้นสวิตช์ ส่งผลให้ใบพายปล่อยพลังงานออกมาทันที ทำให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปข้างหน้า โดยที่แถบโพลิเมอร์สามารถปรับจูนให้สามารถตอบสนองได้ในช่วงเวลาที่ต่างกันตามที่กำหนด นั่นคือ แถบที่หนากว่าจะมีช่วงเวลาอุ่นขึ้นจนยืดตัวนานกว่า และกระตุ้นใบพายได้มากกว่าแถบที่บาง ความสามารถในการปรับจูนได้นี้ ทำให้ทีมออกแบบหุ่นยุนต์สามารถบังคับการเลี้ยวและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกันได้

ทีมวิจัยเคยมีผลงานอื่นที่สร้างขึ้นมาก่อนหน้านี้ นั่นคือ การใช้โซ่ที่สร้างจากสารคงตัวสองสถานะ เพื่อถ่ายโอนสัญญาณและสร้างลอจิกเกตที่คล้ายกับที่อยู่ในคอมพิวเตอร์

จากการออกแบบใหม่ล่าสุดอีกครั้ง ทีมพัฒนาสามารถเชื่อมโยงเข้ากับสารโพลิเมอร์และสวิตช์ด้วยวิธีการที่ทำให้ใบพายทั้งสี่ของหุ่นยนต์ขับเคลื่อนไปข้างหน้าได้เอง พร้อมกับเพิ่มน้ำหนักบรรทุกเข้าไปอีกเล็กน้อย และหลังจากนั้นทำให้ชุดใบพายหมุนกลับทาง

จากการนำรูปแบบการเคลื่อนที่อย่างง่ายมารวมไว้ด้วยกัน พร้อมทั้งฝังโปรแกรมเอาไว้ในวัสดุเพื่อจัดลำดับพฤติกรรมของวัสดุที่มีความซับซ้อน ทำให้ลำดับกลไกของวัสดุเป็นไปอย่างสมบูรณ์ ซึ่งในอนาคตจะเพิ่มการทำหน้าที่และการตอบสนองให้หลากหลายมากขึ้น ยกตัวอย่าง การทำให้โพลิเมอร์ตอบสนองต่อภาวะแวดล้อมของความเป็นกรด-ด่าง (pH), ระดับของสารละลายเกลือ ส่วนหุ่นยนต์รุ่นต่อไปจะพัฒนาให้มีความสามารถในการยับยั้งการเอ่อล้นของสารเคมี หรือเป็นตราชั่งขนาดเล็ก, ใช้จ่ายยา เป็นต้น

จากการทดสอบในขณะนี้ เมื่อสารคงตัวสองสถานะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วและปล่อยพลังงานออกมา ยังจำเป็นต้องทำการรีเซ็ตสารนั้นแบบแมนวลเพื่อให้กลับมาทำงานได้อีก แต่ต่อไปทีมงานจะวางแผนสำรวจหาวิธีการออกแบบสารชนิดนี้ใหม่ เพื่อให้รีเซ็ตตัวเองได้เมื่อช่วงอุณหภูมิน้ำเปลี่ยนไป ซึ่งจะทำให้สารนั้นมีศักยภาพที่จะว่ายน้ำได้โดยไม่มีข้อจำกัด ตราบเท่าที่อุณหภูมิน้ำยังคงผันผวนต่อไปเรื่อยๆ

ที่มา CalTech

ภาพจำลองการออกแบบหุ่นยนต์ใหม่ โดยอาศัยวัสดุที่เกิดการผิดรูปร่างตามสภาพแวดล้อมแล้วเปลี่ยนให้เป็นพลังขับเคลื่อนตัวมันเองให้เคลื่อนที่ไปทางน้ำ
Credit: Tian Chen and Osama R. Bilal

ชมวิดีโอ หุ่นยนต์ขับเคลื่อนได้เองโดยไม่ต้องใช้มอเตอร์