วิศวกรชาวสวิสพัฒนา "มอเตอร์แบบเส้นใย" ขับเคลื่อนระบบหุ่นยนต์แบบยืดหยุ่น

วิศวกรของสถาบันเทคโนโลยีสวิสลอซานน์ (EPFL) พัฒนาสำเร็จมอเตอร์แบบยืดหยุ่นชื่อ FiberMotor ซึ่งมีลักษณะคล้ายเส้นด้ายบาง สามารถสร้างแรงเพียงพอที่จะขับเคลื่อนระบบหุ่นยนต์แบบยืดหยุ่น และทำงานได้เงียบสงบพร้อมรองรับการเคลื่อนที่สองทิศทาง อุปกรณ์นี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 1 ถึง 3 มิลลิเมตร (0.04 ถึง 0.12 นิ้ว) สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่ได้โดยตรง งานวิจัยที่เกี่ยวข้องภายใต้ชื่อ "มอเตอร์แบบสแตติกแบบเส้นใยแบบเชิงเส้นแบบยืดหยุ่น" ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร "Advanced Materials" แล้ว

โครงสร้างของ FiberMotor ประกอบด้วยเส้นใยว่างสองเส้นที่มีศูนย์กลางร่วมกัน เส้นใยแต่ละเส้นถูกพันรอบด้วยแอเล็กโตรดทองแดงฉนวนที่มีความหนาเพียงเล็กน้อยกว่าขนมนุษย์ เมื่อ印แรงดันไฟฟ้า แรงสแตติกจะดึงเส้นใยให้จัดเรียงซ้ำๆ ทำให้เส้นใยภายในเลื่อนภายในเส้นใยภายนอก คล้ายหลักการทำงานของกล้องส่องทางไกล หัวหน้าห้องปฏิบัติการเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นของ EPFL คือ เฮอร์เบิร์ต ชี (Herbert Shea) กล่าวว่า "FiberMotor ของเราเป็นมอเตอร์แบบเลื่อนรูปแบบเส้นใยตัวแรกที่สามารถสร้างแรงเพียงพอสำหรับขับเคลื่อนอุปกรณ์ประยุกต์หุ่นยนต์แบบยืดหยุ่น พร้อมทั้งทำงานได้เงียบสงบ ยืดหยุ่น และรองรับการเคลื่อนที่สองทิศทาง"

การออกแบบนวัตกรรมของ FiberMotor

กิจกรรมประจำวันอย่างการยก ของ推 และ拉 ล้วนอาศัยการเคลื่อนที่เชิงเส้น มากกว่าการเคลื่อนที่แบบหมุน นักวิจัยระบุว่าการสร้างการเคลื่อนที่เชิงเส้นมาเป็นความท้าทายที่ยาวนานในสาขาหุ่นยนต์แบบสวมใส่ได้ เนื่องจากมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่เชิงเส้นมักต้องการเกียร์แข็งตัว อุปกรณ์ส่งกำลัง และชิ้นส่วนอื่นๆ ที่笨重 แม้จะมีสิ่งที่เรียกว่า "กล้ามเนื้อเทียม" อยู่แล้ว แต่ช่วงการเคลื่อนที่ถูกจำกัดโดยความสามารถในการยืด หด หรืองอของวัสดุ ในทางตรงกันข้าม ช่วงการเคลื่อนที่ของ FiberMotor ถูกจำกัดเพียงแค่ความยาวของเส้นใย เนื่องจากไม่ต้องการเกียร์หรืออุปกรณ์ส่งกำลัง อุปกรณ์นี้จึงมีความสามารถในการขับเคลื่อนย้อนกลับ หมายความว่าแรงในทิศทางตรงข้ามสามารถขับเคลื่อนมันได้อย่างปลอดภัย

หากผู้สวมเคลื่อนที่โดยไม่ได้ตั้งใจหรือเคลื่อนที่ทวนทิศทางการขับเคลื่อน เส้นใยจะเลื่อนผ่านกันแทนที่จะล็อกติด ทำให้มันสามารถทำงานร่วมกับการเคลื่อนไหวของร่างกายมนุษย์ได้อย่างเป็นธรรมชาติมากกว่ามอเตอร์แบบดั้งเดิม

ในการสาธิตในห้องปฏิบัติการ FiberMotor ตัวเดียวรองรับน้ำหนักคงที่ได้ประมาณ 75 กรัม (2.6 ออนซ์) แรงร่วมจากมอเตอร์ 4 ตัวเพียงพอที่จะยกแท่งช็อกโกแลตน้ำหนัก 46 กรัม (1.6 ออนซ์) และสามารถงอมนิ้วหุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเฟสได้อีกด้วย ทีมนักวิจัยยังได้บูรณาการมอเตอร์นี้เข้าไปในชุดเสื้อผ้าต้นแบบที่ออกแบบให้เหมาะกับเข่าอีกด้วย เนื่องจากมอเตอร์มีน้ำหนักเบาและบาง นักวิจัยจึงมองว่าจะกระจายมันในผ้าอัจฉริยะ แทนที่จะรวมแรงที่หน่วยแข็งตัวเพียงหน่วยเดียว

แผนการประยุกต์ใช้ในอนาคตและการนำไปสู่การค้า

งานวิจัยนี้สร้างต่อยอดจากเทคโนโลยีปั๊มรูปแบบเส้นใยตัวแรกของโลกที่ห้องปฏิบัติการเปิดตัวในปี 2023 ซึ่งสามารถเย็บเข้าไปในผ้าอัจฉริยะเพื่อเวียนเวียนของเหลวเพื่อควบคุมอุณหภูมิและการตอบสนองทางสัมผัส ต่อไป นักวิจัยจะมุ่งเน้นการปรับปรุงประสิทธิภาพและความทนทานของ FiberMotor โดยใช้แอเล็กโตรดที่บางกว่าซึ่งประกอบด้วยฉนวนเป็นหลัก รวมถึงวัสดุที่ปรับปรุงแล้ว พวกเขายังวางแผนที่จะบูรณาการข้อมูลตอบสนองเกี่ยวกับตำแหน่งและการเคลื่อนไหวของผู้สวม เพื่อให้มอเตอร์สามารถปรับตัวตามเจตนาของผู้สวมได้อย่างรวดเร็ว ในที่สุด ทีมหวังที่จะนำการรวมผสานระหว่างแรงและความยืดหยุ่นนี้ไปประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์ช่วยเหลือแบบสวมใส่ได้ เช่น โครงร่างกายภายนอกแบบยืดหยุ่นสำหรับการเคลื่อนย้าย ระบบสัมผัสแบบสวมใส่ได้สำหรับความจริงเสมือน และขาเทียมแบบเบา

ผู้เขียนรายงานคนแรก คือ ซิลแวน ชาลเลอร์ (Sylvain Schaller) ได้ก่อตั้งสตาร์ทอัพชื่อ Elecsyor เพื่อนำเทคโนโลยีนี้ไปสู่การค้าระดับเชิงพาณิชย์ งานวิจัยนี้ได้รับทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสวิส และมูลนิธิโนโว นอร์ดิสก์

ผลกระทบของ FiberMotor ต่อเทคโนโลยีแบบสวมใส่ได้

การพัฒนา FiberMotor เป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของเทคโนโลยีหุ่นยนต์แบบสวมใส่ได้ ความสามารถในการทำงานเงียบและขับเคลื่อนย้อนกลับทำให้มันสามารถทำงานร่วมกับร่างกายมนุษย์ได้อย่างเป็นธรรมชาติมากขึ้น แก้ไขข้อจำกัดของมอเตอร์แบบดั้งเดิม เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่เพิ่มความสะดวกสบายในกิจกรรมประจำวัน แต่ยังมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์ช่วยเหลือการเคลื่อนย้ายและระบบความจริงเสมือน ด้วยการก่อตั้งสตาร์ทอัพ Elecsyor กระบวนการนำไปสู่การค้าจะเร่งรัดขึ้น และในอนาคตอาจเปลี่ยนแปลงวิธีที่ผู้คนรับรู้และใช้เทคโนโลยีแบบสวมใส่ได้