เทคโนโลยี 4D Printing สำคัญอย่างไร
4D Printing เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยี ที่กำลังเข้ามาสู่ชีวิตประจำวันมากขึ้น เนื่องจากเป็นการก้าวกระโดดของเทคโนโลยีด้านวัสดุ และกระบวนการผลิต เพื่อสร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์ที่ดีกว่าในปัจจุบัน ความสนใจครั้งแรกสำหรับผู้เขียน และคนทั่วไปน่าจะเริ่มต้นจากงาน TED Talk นำเสนอโดย Skylar Tibbits จาก Self Assembly Laboratory ของ MIT Skylar ได้นำตัวอย่างผลงานที่พัฒนาวัสดุ 4D มานำเสนอในงาน เป็นแบบจำลองของโปรตีนที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เอง ตามที่โปรแกรมไว้ ซึ่งแม้จะเป็ยตัวอย่างง่ายๆ แต่ก็แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในอนาคตที่ ผลิตภัณฑ์ซึ่งผลิตออกมาแล้วสามารถทำงานได้ตามโปรแกรมที่ตั้งไว้
การเปลี่ยนแปลงจาก 3D Printing ไปเป็น 4D Printing นั้น ปัจจัยอีก D ที่เพิ่มขึ้นสามารถที่จะกำหนดได้โดยนักวิทยาศาสตร์ เช่น เวลา อุณหภูมิ แรงกระทำ ไฟฟ้า หรือแม้กระทั่งความเป็น กรด-ด่าง ซึ่งเมื่อมีปัจจัยภายนอกเข้ามาแล้ว ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในรูป 3D เดิม ยกตัวอย่างเช่น กันชนรถที่โดยกระแทกจนยุบแต่ไม่ถึงจุดที่เสียหายถาวรจะสามารถคืนรูปร่างเดิม เมื่อเวลาผ่านไป หรือชิ้นส่วนที่โดนน้ำแล้วสามารถที่จะประกอบกันเองเป็นชิ้นส่วนใช้งานได้ ซึ่งวัสดุสำหรับเครื่อง 3D Printer ทั่วไปไม่สามารถทำได้ในปัจจุบัน
สิ่งที่จะเกิดขึ้นเมื่อมี 4D Printing
เมื่อหลายสิบปีก่อนผู้เขียนได้ดูการ์ตูนเรื่อง Dragon Ball ที่ตัวเอกมีเทคโนโลยี “บ้านแคปซูล” โดยเมื่อไม่ได้ใช้จะมีขนาดเล็ก พกพาในกระเป๋าได้ แต่เมื่อกดปุ่มใช้งานจะขยายเป็นบ้านขนาดใหญ่ เข้าอยู่ได้ในทันที ถึงแม้จะเป็นแค่เทคโนโลยีในการ์ตูน ซึ่งเป็นไปได้ยากในกฎธรรมชาติของโลกเรา แต่ก็แสดงให้เห็นถึง Application ของ Smart Materials ที่ผู้ผลิตสามารถทำได้ (เทคโนโลยี้นี้เรียกว่า “self assembly“)
1. ทุกอย่างมีขนาดเล็กลง
จากการออกแบบผลิตภัณฑ์แบบเดิมๆ นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาให้มีขนาดเล็กลงได้โดยอาศัยการหดตัว พับ หรือบีบอัดวัสดุเข้าด้วยกัน เมื่อใช้งานก็ค่อยให้ปัจจัยภายนอกกระตุ้นให้คืนรูปร่างเดิม (shape memory) ตัวอย่างโครสร้างตามภาพด้านล่างสามารถลดปริมาตรในการจัดเก็บได้ถึง 87%
2. สมบัติการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น
ข้อจำกัดของการใช้งานผลิตภัณฑ์ในปัจจุบันคือ ต้องออกแบบรูปร่าง ขนาด และสมบัติวัสดุให้สอดคล้องกับการนำไปใช้งาน ซึ่งส่วนใหญ่ก็จะพบปัญหาออกแบบซับซ้อนมากๆแล้ว ผลิตไม่ได้ หรือไม่มีวัสดุที่แข็งแรงขนาดที่ต้องการ ในขณะ Smart Materials สามารถที่จะกำหนดสมบัติได้ทุกส่วน ไม่จำเป็นต้องเท่ากันทั้งชิ้น เช่น มีทั้งส่วนแข็งที่รองรับแรง และส่วนอ่อนที่ดูดซับแรง พร้อมรูปร่างที่ซับซ้อนในชิ้นเดียว
แต่ส่วนใหญ่จะพบการนำเสนอการคืนสภาพของวัสดุ หรือ Shape Memory Materials เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งในเชิงการออกแบบวิศวกรม ข้อดีที่สุดคือ ใน 1 ผลิตภัณฑ์อาจจะประกอบด้วยวัสดุเป็น 100 ชนิด แต่ละจุดไม่เหมือนกันก็สามารถทำได้ ศัพท์ทางเทคนิคเรียกว่า Digital Materials
Application ของ 4D Printing ที่น่าประยุกต์ใช้งานได้
1. ระบบท่อในอุตสาหกรรม
ระบบท่อในอุตสาหกรรมโรงงานขนาดเล็ก แค่ระบบดับเพลิงรวมกันน่าจะเป็นหลายกิโลเมตร เกิดจากการออกแบบให้มีแรงดัน และอัตราการไหลที่เหมาะสมกับความต้องการ แต่หากวันใด วันหนึ่ง มีการเปลี่ยนแปลงระบบ ท่อเก่าก็อาจจะต้องตัดทิ้งเปลี่ยนขนาดใหม่ ซึ่งหากวัสดุที่นำมาทำท่อสามารถปรับค่าขนาดได้ตามอัตราการไหล หรือปริมาณ ก็ช่วยลดค่าใช้จ่ายไปได้เยอะ อีกการใช้งานหนึ่งคือการซ่อมแซมตัวเองเมื่อมีรอยแตก รั่ว หรือโดนสารเคมีกัดกร่อน หากวัสดุที่ใช้สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ระดับหนึ่ง และส่งข้อมูลแจ้งเตือนไปยังผู้ควบคุมได้ ก็จะลดอันตราย และค่าใช้จ่ายในการติดเซ็นเซอร์ตรวจจับไปได้มาก
2. เฟอร์นิเจอร์ที่ประกอบเองอัตโนมัติ
ข้อนี้ผู้เขียนนึกถึงเฟอร์นิเจอร์จาก Ikea ที่ผู้ซื้อต้องประกอบเองทั้งหมด หรือต้องจ้างคนมาประกอบโดยเฉพาะ ซึ่งบางคนก็ชอบ สนุก กับการทำงานส่วนนี้ แต่หลายคนก็อยากที่จะซื้อมาแล้วพร้อมใช้งานเลย ในอนาคตเราอาจจะแกะกล่องชั้นวางของแล้ว ทิ้งไว้ซักพักให้เฟอร์นิเจอร์ประกอบด้วยตัวเองก็เป็นไปได้
เฟอร์นิเจอร์จาก Ikea ต้องประกอบเอง
เก้าอี้ที่ประกอบตัวเอง
3. อุตสาหกรรมการแพทย์
ส่วนนี้เป็นการแพทย์ชั้นสูง ที่แพทย์สามารถปรับปรุงสูตรโมเลกุลของยาให้เข้ากับคนไข้ หรือมีการโปรแกรมตัวยาให้เปลี่ยนแปลงรูปแบบเข้ากับคนไข้ให้มากที่สุด อีก 1 การใช้งานคือเป็นยาแบบดิจิตอลที่สามารถส่งข้อมูลภายในของคนไข้ และรายละเอียดต่างๆกลับมายังแพทย์ได้แบบ Real Time ทำให้การรักษาพัฒนาไปได้อย่างเหมาะสม และตรงกับโรคมากที่สุด
4. การใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่ไม่ปกติ
นอกจากวัสดุแบบ 4D ที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างให้มีขนาดเล็กลงกว่าปกติแล้ว ยังช่วยให้การพัฒนา การสำรวจพื้นที่ธุรกันดาร หรือแม้กระทั่งอวกาศเป็นไปได้มากขึ้น เนื่องจากสามารถพกพาอุปกรณ์ไปได้มากขึ้น หรือผู้ใช้สามารถดัดแปลงรูปร่างอุปกรณ์หน้างานได้ ดังนั้นอุปกรณ์ 1 ชิ้น อาจเป็นไปได้หลายการใช้งาน
สรุป
Smart Materials หรือ 4D Printing นั้นพึ่งอยู่ในช่วงเริ่มต้นศึกษา และทดลองการนำไปใช้งาน ซึ่งเหมือนกับในหนัง Sci-Fi วิทยาศาสตร์ล้ำยุคที่ไม่มีใช้ในปัจจุบัน ซึ่งในอนาคตไม่ไกล เราอาจจะมีเฟอร์นิเจอร์หรือบ้าน ที่ประกอบตัวเองขึ้นมาก็ได้ เหมือนอย่าง 3D Printer ที่หากมองย้อนกลับไป 30 ปีที่แล้ว คงไม่มีใครคาดคิดว่าจะมีเครื่องนี้วางอยู่ตามบ้านคนทั่วไป เหมือนเป็นเครื่องปริ้นกระดาษเครื่องหนึ่ง
