วันพฤหัสบดีที่ 2 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2555

หุ่นยนต์ขนาดจิ๋วสำหรับการทำงานในระดับนาโนเมตร

หุ่นยนต์ขนาดจิ๋วสำหรับการทำงานในระดับนาโนเมตร

หุ่นยนต์ขนาดเล็กที่สามารถทำงานได้กับเซลล์ได้อย่างแม่นยำ และสามารถประกอบชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับไมโครเมตรได้ จะเป็นการบุกเบิกยุคของโรงงานระดับนาโนเมตรในอนาคต
หุ่นยนต์ขนาดเล็กที่สามารถทำงานได้กับเซลล์ได้อย่างแม่นยำ และสามารถประกอบชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับไมโครเมตรได้ จะเป็นการบุกเบิกยุคของโรงงานระดับนาโนเมตรในอนาคต

       หุ่นยนต์ขนาดเล็กที่สามารถทำงานได้กับเซลล์ได้อย่างแม่นยำ และสามารถประกอบชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับไมโครเมตรได้ จะเป็นการบุกเบิกยุคของโรงงานระดับนาโนเมตรในอนาคต
      หุ่นยนต์แบบใหม่ ที่มีขนาดไม่ใหญ่ไปกว่าขนาดของลูกเต๋า แต่สามารถทำงานเพื่อการประกอบวงจรขนาดเล็กได้ สามารถฉีดสารต่าง ๆ เข้าไปในเซลล์เดี่ยว ๆ ได้ และยังสามารถตรวจวัดในระดับโมเลกุลได้อีกด้วย อ้างอิงจากโครงการหุ่นยนต์ระดับไมโครเมตรสหภาพยุโรป ที่เรียกว่า ไมครอน (Micron) ซึ่งรายงานว่าทีมวิจัยสามารถสร้างหุ่นยนต์ที่ทำงานแบบอัตโนมัติในระดับ โมเลกุลได้ โดยวัตถุประสงค์หลักของการสร้างหุ่นยนต์นี้เพื่อใช้การวิจัย การประกอบและสร้างอุปกรณ์ต้นแบบ และเพื่อการใช้งานด้านอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น การทดสอบยา และสร้างอุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ต่าง ๆ
      โครงการนี้ประกอบด้วยกลุ่มวิจัย 8 กลุ่มจาก 7 ประเทศ ซึ่งได้ทำการพัฒนาหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วหลายแบบ โดยแต่ละแบบมีอุปกรณ์เฉพาะ เพื่อที่จะสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างสมบูรณ์ ในงานที่หุ่นยนต์เพียงตัวเดียวไม่อาจจะทำได้ ทีมนักวิจัยได้พัฒนาอุปกรณ์ หลากหลายแบบ รวมถึง อุปกรณ์การจัดเรียงระดับไมโครเมตร เข็มของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม และเข็มที่มีความแม่นยำสูงในการแทงเข้าไปในเซลล์ อย่างไรก็ตามทีมวิจัยยังไม่สามารถพัฒนาการทำงานร่วมกันของหุ่นยนต์ขนาดจิ๋ว เหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์เนื่องจากข้อจำกัดของเวลา และงบประมาณที่สิ้นสุดลง
       อย่างไรก็ตามดูเหมือนว่าทีมวิจัยได้สร้างผลงานที่น่าประทับใจเนื่องจาก หุ่นยนต์เหล่านี้มีความทันสมัย และแตกต่างจากหุ่นยนต์แบบอื่น ๆ Ron Fearing ศาสตราจารย์ ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า และวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์จาก UC Berkeley ซึ่งเป็นหนึ่งในทีมวิจัยที่เกี่ยวกับการพัฒนาหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วได้แสดงความ คิดเห็นว่า จุดเริ่มต้นของความน่าสนใจนั้นเกิดขึ้นเมื่อหุ่นยนต์กว่า 1 โหลสามารถทำงานด้วยกันได้ แต่สิ่งที่น่าอัศจรรย์กว่าคือการที่งานสามารถสำเร็จเสร็จสิ้นได้โดยการทำงาน ของหุ่นย์จิ๋วเพียงแค่ไม่กี่ตัว
      ในการทดลองได้มีการทดสอบใช้หุ่นยนต์จิ๋วฉีดของเหลวเข้าไปในเซลล์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการศึกษาดีเอ็นเอ หรือผลของยาชนิดใหม่ต่อเซลล์ โดยขั้นแรกนักวิทยาศาสตร์จะต้องยึดให้เซลล์อยู่กับที่ด้วยอุปกรณ์ที่ใช้โดย ปกติ หลังจากที่หุ่นยนต์จิ๋วได้เติมของเหลวในหลอดฉีดแล้วก็จะถูกควบคุมโดยมนุษย์ ไปยังเซลล์ จากนั้นก็ทำการฉีดของเหลวอย่างแม่นยำในปริมาณที่กำหนดเข้าสู่เซลล์ (ปริมาณน้อยมากและไม่ทำให้เซลล์แตก) ของเหลวที่ฉีดเข้าไปถูกออกแบบให้ติดตามสารที่อยู่ภายในเซลล์โดยทำให้เกิดการ เรืองแสงภายในเซลล์เพื่อยืนยันว่าเซลล์ยังคงมีชีวิตอยู่ภายหลังการถูกฉีดสาร เข้าไป
หุ่นยนต์ Micron
หุ่นยนต์ Micron
จากการทดสอบการทำงานของหุ่นยนต์หลาย ๆ ตัว นักวิทยาศาสตร์พบว่า หุ่นยนต์ทั้งหมดสามารถทำงานได้ตามขั้นตอนที่ต้องการได้โดยอัตโนมัติ Jőrg Seyfried หัวหน้าหน่วย Micromechatronics และ Microrobotics แห่งมหาวิทยาลัย Karlsruhe ประเทศเยอรมัน ซึ่งเป็นสถาบันแกนนำของกลุ่มวิจัย ได้อธิบายตัวอย่างการทำงานร่วมกันของหุ่นยนต์จิ๋วไว้ดังนี้ หุ่นยนต์ตัวแรกถูกสร้างให้มีกล้อง (พัฒนาขึ้นระหว่างการวิจัย) เพื่อระบุตำแหน่งของเซลล์ในจานเลี้ยง หุ่นยนต์ตัวที่ 2 จะทำหน้าที่ค้นหา และยึดเซลล์ให้อยู่ที่ตำแหน่งที่ต้องการ และหุ่นยนต์ตัวที่ 3 จะทำการฉีดเข้าไปในเซลล์ โดยใช้ระบบอินฟราเรดในการสื่อสาร และประมวลภาพโดยใช้ระบบประมวลผลที่พัฒนาขึ้นในโครงการนี้

ภาพจำลองการทำงานร่วมกันของหุ่นยนต์
ภาพจำลอง 
การทำงานร่วมกันของหุ่นยนต์
ทีมนักวิจัยยังได้แสดงให้เห็นว่าหุ่นยนต์ที่ถูกสร้างขึ้นนั้นสามารถนำ เอาวัสดุมาประกอบกันเป็นวงจรขนาดเล็กได้ เช่นเดียวกับการใช้เข็มของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมในการระบุตำแหน่งของหุ่น ยนต์บนพื้นผิว และสามารถยึดอยู่ที่ตำแหน่งที่ต้องการได้อย่างแม่นยำที่ระยะ 2 นาโนเมตร ซึ่งเล็กกว่าความกว้างของโมเลกุล ดีเอ็นเอเสียอีก นอกจากนี้เข็มยังสามารถใช้ในการตรวจวัดกระแสไฟฟ้าจากเซลล์ หรือสมบัติเชิงกล และยังสามารถเขียนในระดับนาโนเมตรได้อย่างแม่นยำด้วยเทคนิคที่เรียกว่า ดิปเพ็นลิโทรกราฟฟี (dip-pen lithography)
       ถึงแม้ว่าการทำงานร่วมกันแบบทีมเวิร์ค ของหุ่นยนต์ยังต้องใช้เวลาอีกหลายปี แต่การลงทุนเกี่ยวกับหุ่นยนต์เหล่านี้ในผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ น่าจะเกิดขึ้นในเร็ววันนี้ จากการสัมภาษณ์ Seyfried ได้ให้ความคิดเห็นว่าภาคอุตสาหกรรมได้แสดงความสนใจอย่างมาก เกี่ยวกับการฉีดสารเข้าเซลล์ เนื่องจากสามารถนำมาใช้งานได้ในห้องปฏิบัติการที่ต้องการใช้เครื่องมือที่มี ความแม่นยำสูงในการฉีดสารเข้าไปในเซลล์เดี่ยว ๆ ซึ่งหุ่นยนต์เหล่านี้สามารถทำได้ในราคาที่ไม่แพง นอกจากนี้ ระบบเครื่องกลแบบใหม่ ๆ ก็จะถูกนำมาใช้ในของเล่น และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในชีวิตประจำวัน
แต่จากหุ่นยนต์ต้นแบบเพียงไม่กี่ตัวหากจะพัฒนาให้เกิดกองทัพของหุ่น ยนต์จำเป็นจะต้องก้าวผ่านอุปสรรคที่สำคัญอย่างหนึ่งก่อน ก็คือประเด็นเกี่ยวกับพลังงาน หุ่นยนต์ไมครอน และหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่มีการพัฒนามาก่อนหน้าที่ที่ สถาบัน MIT เช่น นาโนวอร์คเกอร์ ( Nanowalker) ได้รับพลังงานจากพื้นที่หุ่นยนต์ปฏิบัติงานอยู่ แต่การที่หุ่นยนต์ขนาดเล็กจำนวนมากจะทำงานได้นั้นก็ต้องใช้พลังงานมากเช่น กัน และพลังงานที่ใช้จะมากกว่าการทำงานของหุ่นยนต์ไมครอนเพียงตัวเดียวที่ทำ งานอยู่บนพื้นพลังงาน และการทำงานนั้นก็ทำให้เกิดความร้อนขึ้น เช่นหุ่นยนต์นาโนวอร์คเกอร์ ที่ต้องการพลังงานมากกว่า หุ่นยนต์ไมครอนนั้น ทำงานบนฮีเลียมแช่แข็งเพื่อให้หุ่นยนต์ไม่ร้อนเกินไป ซึ่งฮีเลียมแช่แข็งนั้นมีอุณหภูมิ อยู่ที่ประมาณ – 70 องศาเซลเซียส ซึ่งห่างไกลจากอุณหภูมิขณะปฏิบัติงาน ตัวอย่างเช่น การทำงานกับเซลล์สิ่งมีชีวิต Sylvain Martel นักวิจัยที่เป็นผู้พัฒนา นาโนวอร์คเกอร์ ขณะนี้ได้ทำงานร่วมกับ Ecole Poly technique de Montreal เพื่อทำการพัฒนาหุ่นยนต์รุ่นต่อไปซึ่งจะมีขนาดเล็กมากกว่าเดิม และใช้พลังงานน้อยกว่าเดิม 

ความกังวลเกี่ยวกับการใช้พลังงานปริมาณมากนั้น จะเพิ่มมากขึ้นเมื่อมีการเพิ่มอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และนวัตกรรมอื่นๆ ที่ทำให้หุ่นยนต์มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น และถึงแม้ว่าปัญหาด้านพลังงานจะได้รับการแก้ไข แต่ก็ยังคงมีคำถามบางประการเกี่ยวกับหุ่นยนต์ขนาดจิ๋ว ซึ่งถึงแม้ว่าหุ่นยนต์จิ๋วเหล่านี้จะสามารถแก้ปัญหาด้านความแม่นยำ และการประกอบที่รวดเร็ว แต่ Ralph Holles ซึ่งเป็นผู้พัฒนาหุ่นยนต์เพื่อใช้ในการประกอบระดับไมโครเมตรได้กล่าวถึงข้อ ดีของการมีหุ่ยนต์ขนาดจิ๋วจำนวนมาก คือความสามารถในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ถึง 1 ล้านชิ้นต่อวัน แต่ปัจจุบันความต้องการสำหรับการผลิตนั้นอยู่ที่ 1 แสนชิ้นหรือต่ำกว่านั้นซึ่งระบบการผลิตในขณะนี้ก็สามารถทำงานได้อย่างมี ประสิทธิภาพเพียงพอ
       สำหรับผู้ที่สนับสนุน   การใช้หุ่นยนต์ขนาดจิ๋ว   เพื่อการผลิตระดับ อุตสาหกรรมได้ให้ความคิดเห็นว่า ข้อดีที่เด่นชัดของหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วเหล่านี้เป็นเรื่องของราคา (เมื่อมีขนาดเล็กลง ราคาของหุนยนต์ต่อตัวจะถูกลง) และสามารถสร้างระบบการทำงานได้โดยใช้หุ่นยนต์หลายร้อยตัวทำงานด้วยกัน ซึ่งการทำงานแบบเดียวกันนี้หากใช้อุปกรณ์ขนาดใหญ่จะมีราคาสูงมาก
       อย่างไรก็ตามแม้ว่าการพัฒนาหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วเหล่านี้ยังมีอุปสรรค และขีดจำกัดในหลายด้าน แต่ความเป็นไปได้ในการพัฒนาหุ่นยนต์เหล่านี้ ก็ยังคงเป็นที่จับตามองร่วมกับการสนับสนุนจากภาคอุตสาหกรรมด้วยความหวังว่า หุ่นยนต์เหล่านี้จะช่วยแก้ปัญหาในระบบการผลิต และการพัฒนาสินค้าในอนาคต 


แหล่งข้อมูลอ้างอิงhttp://www.ibmt.fraunhofer.de
ftp://ftp.cordis.europa.eu
http://medgadget.com
http://www.technologyreview.com
http://www.thai-nano.com

ไม่มีความคิดเห็น: