เทคโนโลยี 4D Printing สำคัญอย่างไร
4D Printing เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่กำลังเข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันมากขึ้น เนื่องจากเป็นการก้าวกระโดดของเทคโนโลยีวัสดุและกระบวนการผลิต เพื่อสร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์ที่ดีกว่าในปัจจุบัน ความสนใจในครั้งแรกสำหรับผู้เขียนและคนทั่วไปน่าจะเริ่มต้นจากงาน TED Talk ที่นำเสนอโดย Skylar Tibbits จาก Self Assembly Laboratory ของ MIT โดย Skylar ได้นำตัวอย่างผลงานที่พัฒนาวัสดุ 4D มาแสดงในงาน เป็นแบบจำลองของโปรตีนที่สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เองตามที่โปรแกรมไว้ ซึ่งแม้จะเป็นตัวอย่างง่ายๆ แต่ก็นับเป็นการแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในอนาคตที่ผลิตภัณฑ์ซึ่งผลิตออกมาแล้วสามารถทำงานได้ตามโปรแกรมที่ตั้งไว้
สำหรับการเปลี่ยนแปลงจาก 3D Printing ไปสู่ 4D Printing ปัจจัย D ที่เพิ่มเข้ามานั้นสามารถกำหนดได้โดยนักวิทยาศาสตร์ เช่น เวลา อุณหภูมิ แรงกระทำ ไฟฟ้า หรือแม้กระทั่งความเป็นกรด-ด่าง ซึ่งเมื่อมีปัจจัยภายนอกเข้ามากระตุ้น ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากรูปทรง 3D เดิม ยกตัวอย่างเช่น กันชนรถที่โดนกระแทกจนยุบแต่ไม่ถึงจุดที่เสียหายถาวร จะสามารถคืนรูปร่างเดิมได้เมื่อเวลาผ่านไป หรือชิ้นส่วนที่เมื่อโดนน้ำแล้วสามารถประกอบกันเองเป็นชิ้นงานที่ใช้งานได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่วัสดุสำหรับเครื่อง 3D Printer ทั่วไปไม่สามารถทำได้ในปัจจุบัน
สิ่งที่จะเกิดขึ้นเมื่อมี 4D Printing
เมื่อหลายสิบปีก่อนผู้เขียนได้ดูการ์ตูนเรื่อง Dragon Ball ที่ตัวเอกมีเทคโนโลยี “บ้านแคปซูล” ซึ่งเมื่อไม่ได้ใช้งานจะมีขนาดเล็กและพกพาในกระเป๋าได้ แต่เมื่อกดปุ่มใช้งานก็จะขยายเป็นบ้านขนาดใหญ่ที่เข้าอยู่ได้ทันที ถึงแม้จะเป็นแค่เทคโนโลยีในการ์ตูนซึ่งดูเป็นไปได้ยากในกฎธรรมชาติของโลกเรา แต่ก็นับเป็นการแสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้ Smart Materials ที่ผู้ผลิตสามารถทำได้จริง (เทคโนโลยีนี้เรียกว่า self-assembly)
ทุกอย่างมีขนาดเล็กลง
ในการออกแบบผลิตภัณฑ์แบบเดิมๆ นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาให้มีขนาดเล็กลงได้โดยอาศัยการหดตัว การพับ หรือการบีบอัดวัสดุเข้าด้วยกัน เมื่อต้องการใช้งานก็นำปัจจัยภายนอกมากระตุ้นให้วัสดุคืนรูปร่างเดิม (shape memory) ตัวอย่างโครงสร้างตามภาพสามารถลดปริมาตรในการจัดเก็บได้ถึง 87%
ลดปริมาตรลงได้ 87% ด้วยการพับสองตลบ
สมบัติการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น
ข้อจำกัดของการใช้งานผลิตภัณฑ์ในปัจจุบันคือต้องออกแบบรูปร่าง ขนาด และสมบัติของวัสดุให้สอดคล้องกับการนำไปใช้งาน ซึ่งส่วนใหญ่มักพบปัญหาว่าเมื่อออกแบบให้มีความซับซ้อนมากเกินไปก็จะผลิตไม่ได้ หรือไม่มีวัสดุที่มีความแข็งแรงเพียงพอตามที่ต้องการ ในขณะที่ Smart Materials สามารถกำหนดสมบัติได้ในทุกส่วน ไม่จำเป็นต้องเท่ากันทั้งชิ้น เช่น มีทั้งส่วนที่แข็งเพื่อรองรับแรงและส่วนที่อ่อนเพื่อดูดซับแรงในชิ้นเดียว พร้อมด้วยรูปร่างที่ซับซ้อน ส่วนใหญ่แล้วมักพบการนำเสนอเทคโนโลยีการคืนสภาพของวัสดุหรือ Shape Memory Materials ซึ่งในเชิงวิศวกรรมการออกแบบ ข้อดีที่สุดคือผลิตภัณฑ์ 1 ชิ้นอาจประกอบด้วยวัสดุหลายชนิดที่แตกต่างกันไปในแต่ละจุด ซึ่งศัพท์ทางเทคนิคเรียกว่า Digital Materials
Application ของ 4D Printing ที่น่าประยุกต์ใช้งาน
ระบบท่อในอุตสาหกรรม
ระบบท่อในอุตสาหกรรมโรงงานขนาดเล็ก แค่ระบบดับเพลิงรวมกันก็น่าจะมีความยาวหลายกิโลเมตร ซึ่งเกิดจากการออกแบบให้มีแรงดันและอัตราการไหลที่เหมาะสม หากวันใดวันหนึ่งระบบมีการเปลี่ยนแปลง ท่อเก่าก็อาจจะต้องถูกตัดทิ้งและเปลี่ยนขนาดใหม่ แต่หากวัสดุที่ใช้ทำท่อสามารถปรับขนาดได้ตามอัตราการไหลหรือปริมาณ ก็จะช่วยลดค่าใช้จ่ายลงได้อย่างมาก อีกหนึ่งการใช้งานคือการซ่อมแซมตัวเองเมื่อเกิดรอยแตก รั่ว หรือถูกสารเคมีกัดกร่อน หากวัสดุที่ใช้สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ในระดับหนึ่งและส่งข้อมูลแจ้งเตือนไปยังผู้ควบคุมได้ ก็จะช่วยลดอันตรายและค่าใช้จ่ายในการติดตั้งเซ็นเซอร์ตรวจจับได้มาก
https://www.smithsonianmag.com/innovation/Objects-That-Change-Shape-On-Their-Own-180951449/
เฟอร์นิเจอร์ที่ประกอบเองอัตโนมัติ
ลองนึกถึงเฟอร์นิเจอร์จาก Ikea ที่ผู้ซื้อต้องประกอบเองทั้งหมด หรือต้องจ้างคนมาประกอบโดยเฉพาะ ซึ่งแม้บางคนจะชอบและสนุกกับการทำงานส่วนนี้ แต่หลายคนก็อยากจะซื้อมาแล้วพร้อมใช้งานทันที ในอนาคตเราอาจสามารถแกะกล่องชั้นวางของแล้วทิ้งไว้สักพักให้เฟอร์นิเจอร์ประกอบตัวเองได้ก็เป็นไปได้
การใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่ไม่ปกติ
นอกจากวัสดุแบบ 4D จะสามารถเปลี่ยนรูปร่างให้มีขนาดเล็กลงได้แล้ว ยังช่วยให้การสำรวจพื้นที่ทุรกันดารหรือแม้กระทั่งอวกาศเป็นไปได้ง่ายขึ้น เนื่องจากอุปกรณ์สามารถพกพาได้สะดวก หรือผู้ใช้สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างของอุปกรณ์หน้างานได้ ดังนั้นอุปกรณ์เพียง 1 ชิ้น จึงสามารถนำไปใช้งานได้หลากหลายวัตถุประสงค์
สรุป
Smart Materials หรือ 4D Printing ยังคงอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการศึกษาและทดลองนำไปใช้งาน เปรียบเสมือนสิ่งที่อยู่ในภาพยนตร์ไซไฟล้ำยุคที่ยังไม่มีใช้จริงในปัจจุบัน แต่ในอนาคตอันไม่ไกล เราอาจมีเฟอร์นิเจอร์หรือบ้านที่สามารถประกอบตัวเองขึ้นมาได้ เหมือนอย่าง 3D Printer ที่หากมองย้อนกลับไปเมื่อ 30 ปีที่แล้ว คงไม่มีใครคาดคิดว่าจะมีเครื่องนี้วางอยู่ตามบ้านคนทั่วไปเหมือนเป็นเครื่องพิมพ์เอกสารเครื่องหนึ่ง
