เทคโนโลยี 4D Printing สำคัญอย่างไร
4D Printing เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่กำลังเข้ามาสู่ชีวิตประจำวันมากขึ้น เนื่องจากเป็นการก้าวกระโดดของเทคโนโลยีด้านวัสดุ และกระบวนการผลิต เพื่อสร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์ที่ดีกว่าในปัจจุบัน ความสนใจครั้งแรกสำหรับผู้เขียน และคนทั่วไปน่าจะเริ่มต้นจากงาน TED Talk นำเสนอโดย Skylar Tibbits จาก Self Assembly Laboratory ของ MIT Skylar ได้นำตัวอย่างผลงานที่พัฒนาวัสดุ 4D มานำเสนอในงาน เป็นแบบจำลองของโปรตีนที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เองตามที่โปรแกรมไว้ ซึ่งแม้จะเป็ยตัวอย่างง่าย ๆ แต่ก็แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในอนาคตที่ผลิตภัณฑ์ซึ่งผลิตออกมาแล้วสามารถทำงานได้ตามโปรแกรมที่ตั้งไว้
การเปลี่ยนแปลงจาก 3D Printing ไปเป็น 4D Printing ปัจจัย D ที่เพิ่มขึ้นสามารถกำหนดได้โดยนักวิทยาศาสตร์ เช่น เวลา อุณหภูมิ แรงกระทำ ไฟฟ้า หรือแม้กระทั่งความเป็น กรด-ด่าง ซึ่งเมื่อมีปัจจัยภายนอกเข้ามาแล้ว ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในรูป 3D เดิม ยกตัวอย่าง เช่น กันชนรถที่โดนกระแทกจนยุบ แต่ไม่ถึงจุดที่เสียหายถาวร จะสามารถคืนรูปร่างเดิมเมื่อเวลาผ่านไป 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)
ทุกอย่างมีขนาดเล็กลง
การออกแบบผลิตภัณฑ์แบบเดิม ๆ นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาให้มีขนาดเล็กลงได้ โดยอาศัยการหดตัว พับ หรือบีบอัดวัสดุเข้าด้วยกัน เมื่อใช้งานก็ค่อยให้ปัจจัยภายนอกกระตุ้นให้คืนรูปร่างเดิม (shape memory) ตัวอย่างโครงสร้างตามภาพ สามารถลดปริมาตรในการจัดเก็บได้ถึง 87%
Volume reduction by 87% with two folds
สมบัติการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น
ข้อจำกัดของการใช้งานผลิตภัณฑ์ในปัจจุบัน คือ ต้องออกแบบรูปร่าง ขนาด และสมบัติวัสดุให้สอดคล้องกับการนำไปใช้งาน ซึ่งส่วนใหญ่ก็จะพบปัญหาออกแบบซับซ้อนมาก ๆ แล้วผลิตไม่ได้ หรือไม่มีวัสดุที่แข็งแรงขนาดที่ต้องการ ในขณะ Smart Materials สามารถที่จะกำหนดสมบัติได้ทุกส่วน ไม่จำเป็นต้องเท่ากันทั้งชิ้น เช่น มีทั้งส่วนแข็งที่รองรับแรง และส่วนอ่อนที่ดูดซับแรง พร้อมรูปร่างที่ซับซ้อนในชิ้นเดียว แต่ส่วนใหญ่จะพบการนำเสนอการคืนสภาพของวัสดุ หรือ Shape Memory Materials ซึ่งในเชิงการออกแบบวิศวกรรม ข้อดีที่สุด คือ ใน 1 ผลิตภัณฑ์อาจจะประกอบด้วยวัสดุเป็น 100 ชนิด แต่ละจุดไม่เหมือนกันซึ่งสามารถทำได้ ศัพท์ทางเทคนิคเรียกว่า Digital Materials
Application ของ 4D Printing ที่น่าประยุกต์ใช้งานได้
ระบบท่อในอุตสาหกรรม
ระบบท่อในอุตสาหกรรมโรงงานขนาดเล็ก แค่ระบบดับเพลิงรวมกันน่าจะเป็นหลายกิโลเมตร เกิดจากการออกแบบให้มีแรงดัน และอัตราการไหลที่เหมาะสมกับความต้องการ หากวันใดวันหนึ่งมีการเปลี่ยนแปลงระบบ ท่อเก่าก็อาจจะต้องตัดทิ้งเปลี่ยนขนาดใหม่ ซึ่งหากวัสดุที่นำมาทำท่อสามารถปรับค่าขนาดได้ตามอัตราการไหล หรือปริมาณ ก็ช่วยลดค่าใช้จ่ายไปได้มาก อีกการใช้งานหนึ่ง คือ การซ่อมแซมตัวเองเมื่อมีรอยแตก รั่ว หรือโดนสารเคมีกัดกร่อน หากวัสดุที่ใช้สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ระดับหนึ่งและส่งข้อมูลแจ้งเตือนไปยังผู้ควบคุมได้ ก็จะลดอันตรายและค่าใช้จ่ายในการติดเซ็นเซอร์ตรวจจับไปได้มาก
https://www.smithsonianmag.com/innovation/Objects-That-Change-Shape-On-Their-Own-180951449/
เฟอร์นิเจอร์ที่ประกอบเองอัตโนมัติ
นึกถึงเฟอร์นิเจอร์จาก Ikea ที่ผู้ซื้อต้องประกอบเองทั้งหมด หรือต้องจ้างคนมาประกอบโดยเฉพาะ ซึ่งบางคนก็ชอบ สนุก กับการทำงานส่วนนี้ แต่หลายคนก็อยากที่จะซื้อมาแล้วพร้อมใช้งานเลย ในอนาคตเราอาจจะแกะกล่องชั้นวางของแล้ว ทิ้งไว้ซักพักให้เฟอร์นิเจอร์ประกอบด้วยตัวเองก็เป็นไปได้
การใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่ไม่ปกติ
นอกจากวัสดุแบบ 4D ที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างให้มีขนาดเล็กลงกว่าปกติแล้ว ยังช่วยให้การพัฒนาการสำรวจพื้นที่ทุรกันดารหรือแม้กระทั่งอวกาศเป็นไปได้ง่ายขึ้น เนื่องจากสามารถพกพาอุปกรณ์หรือผู้ใช้สามารถดัดแปลงรูปร่างอุปกรณ์หน้างานได้ ดังนั้น อุปกรณ์ 1 ชิ้น อาจเป็นนำไปใช้ได้หลากหลายวัตถุประสงค์
สรุป
Smart Materials หรือ 4D Printing อยู่ในช่วงเริ่มต้นศึกษาและทดลองการนำไปใช้งาน เหมือนกับในหนัง Sci-Fi วิทยาศาสตร์ล้ำยุคที่ไม่มีใช้ในปัจจุบัน ในอนาคตไม่ไกล เราอาจจะมีเฟอร์นิเจอร์หรือบ้าน ที่ประกอบตัวเองขึ้นมาเหมือนอย่าง 3D Printer ที่หากมองย้อนกลับไป 30 ปีที่แล้ว คงไม่มีใครคาดคิดว่าจะมีเครื่องนี้วางอยู่ตามบ้านคนทั่วไป เหมือนเป็นเครื่องพิมพ์กระดาษเครื่องหนึ่ง
