MIT พัฒนาหุ่นยนต์ชีวภาพจิ๋ว ว่ายน้ำด้วยกล้ามเนื้อมีชีวิต-คุมทิศทางด้วยแสง

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ของสหรัฐฯ พัฒนาหุ่นยนต์ชีวภาพขนาดจิ๋วที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์กล้ามเนื้อมีชีวิตเพียงชั้นเดียว โดยสามารถว่ายน้ำและเลี้ยวผ่านเส้นทางเขาวงกตในน้ำตามแสงที่นักวิจัยใช้ควบคุมได้ แม้หุ่นยนต์ต้นแบบจะเคลื่อนที่ได้ค่อนข้างช้าและยังห่างไกลจากการนำไปใช้งานในทะเลจริง แต่โครงสร้างที่บางและเรียบง่ายอาจนำไปสู่การพัฒนาหุ่นยนต์ว่ายน้ำที่มีความอ่อนนุ่มและต้นทุนต่ำลงในอนาคต

หุ่นยนต์ดังกล่าวมีขนาดใกล้เคียงกับหมากฝรั่งแบบแท่ง ด้วยเซลล์กล้ามเนื้อที่ยึดติดกับเจลที่มีความยืดหยุ่น โดยเซลล์เหล่านี้ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมให้หดตัวเมื่อได้รับแสง เมื่อฉายแสงไปยังครีบข้างใดข้างหนึ่ง ครีบด้านนั้นจะขยับ และเมื่อสลับแสงระหว่างครีบทั้ง 2 ข้าง หุ่นยนต์ก็จะสามารถเลี้ยวและเคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้

ระบบดังกล่าวไม่จำเป็นต้องติดตั้งวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไว้บนตัวหุ่นยนต์ เนื่องจากการควบคุมทิศทางทั้งหมดทำจากภายนอกผ่านการฉายแสง โดยครีบแต่ละข้างมีความยาว 15 มิลลิเมตร กว้าง 7 มิลลิเมตร และหนาเพียง 0.5 มิลลิเมตร

'ริตู รามัน' รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ MIT และหนึ่งในผู้เขียนงานวิจัย ระบุว่า การเคลื่อนที่ผ่านน้ำต้องใช้แรงมากกว่าการเคลื่อนที่ผ่านอากาศ และเมื่อพิจารณาจากขนาดของหุ่นยนต์แล้ว ก็สามารถสร้างแรงได้ค่อนข้างมาก

ในการออกแบบรุ่นก่อนหน้า ทีมวิจัยได้ใช้เจลไฟบรินที่มีความอ่อนนุ่มมาก แต่พบว่าเจลมีแนวโน้มเกิดรอยย่นเมื่อถูกเซลล์กล้ามเนื้อดึง จึงเปลี่ยนมาใช้เจลที่ทำจากเจลาตินซึ่งมีความแข็งมากกว่า พร้อมสร้างร่องที่มีฐานเป็นรูปสี่เหลี่ยมบนพื้นผิว ร่องดังกล่าวช่วยให้เซลล์เรียงตัวและหลอมรวมกันเป็นเส้นใยกล้ามเนื้อ ทำให้สามารถออกแรงร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ทีมวิจัยยังทดลองฝึกกล้ามเนื้อด้วยการกระตุ้นด้วยแสงวันละ 15 นาที ที่ความถี่ 2 ครั้งต่อวินาที โดยผลปรากฏว่า เมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มควบคุมที่ไม่ได้รับการกระตุ้น การฝึกดังกล่าวทำให้ระยะการขยับของครีบเพิ่มขึ้นถึง 4 เท่า ขณะที่กล้ามเนื้อยังสามารถทำงานต่อเนื่องโดยไม่ต้องยึดตรึงนานกว่า 30 วัน

หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสุดประมาณ 4 เท่าของความยาวลำตัวต่อนาที ในการทดลองที่รายงาน นักวิจัยสามารถบังคับให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่และเลี้ยวผ่านเขาวงกตอย่างง่ายภายในจานเพาะเชื้อขนาดใหญ่ โดยใช้แสงจากอุปกรณ์ที่ถืออยู่ในมือ อย่างไรก็ตาม หุ่นยนต์รุ่นนี้ยังต้องพึ่งพาผู้ควบคุมจากภายนอกในการกำหนดทิศทาง

อย่างไรก็ตาม แนวคิดหุ่นยนต์ว่ายน้ำที่ใช้กล้ามเนื้อมีชีวิตและควบคุมด้วยแสงไม่ใช่เรื่องใหม่ ก่อนหน้านี้มีการพัฒนาหุ่นยนต์ชีวภาพลูกผสม (Biohybrid Robot) ซึ่งผสานเนื้อเยื่อมีชีวิตเข้ากับชิ้นส่วนที่มนุษย์สร้างขึ้นหลายโครงการ

ในปี 2016 นักวิจัยสร้างหุ่นยนต์รูปทรงคล้ายปลากระเบนที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจของหนูที่ไวต่อแสง ขณะที่ในปี 2022 มีการพัฒนาหุ่นยนต์ปลาที่ใช้เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจมนุษย์และสามารถว่ายน้ำได้ด้วยตัวเอง

ในปี 2026 นักวิจัยจีนยังเปิดตัวหุ่นยนต์ปลากระเบนแมนตาที่ใช้กล้ามเนื้อจากกบและควบคุมด้วยแสง ขณะที่หุ่นยนต์อีกแบบที่เรียกว่า OstraBot ใช้กล้ามเนื้อโครงร่างที่ผ่านการฝึก และสามารถทำความเร็วได้ถึง 15.6 เท่าของความยาวลำตัวต่อนาที หรือเร็วกว่าหุ่นยนต์ของ MIT ประมาณ 4 เท่า

อย่างไรก็ตาม จุดเด่นของผลงานจาก MIT อยู่ที่โครงสร้างบางซึ่งใช้เซลล์กล้ามเนื้อเพียงชั้นเดียว นักวิจัยมองว่าแนวทางนี้อาจใช้เซลล์น้อยกว่าหุ่นยนต์ชีวภาพลูกผสมที่ต้องอาศัยกล้ามเนื้อเป็นก้อนหนา ส่งผลให้สามารถลดต้นทุนการผลิตและเพิ่มประสิทธิภาพในการเคลื่อนที่ได้

ขั้นต่อไปของการวิจัย คือ การทำให้โครงสร้างดังกล่าวสามารถทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากหุ่นยนต์รุ่นปัจจุบันใช้เซลล์เพียงชนิดเดียว เส้นใยกล้ามเนื้อเรียงตัวในทิศทางเดียว และยังจำกัดอยู่ในรูปทรงที่ค่อนข้างเรียบง่าย การออกแบบโครงสร้างกล้ามเนื้อที่ซับซ้อนขึ้นอาจช่วยเพิ่มแรงในการว่ายน้ำหรือทำให้หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนไหวในรูปแบบอื่นได้

‘รามัน’ ระบุว่า ปัจจุบันหุ่นยนต์ชีวภาพลูกผสมจำนวนมากสร้างจากกล้ามเนื้อโครงร่างที่เพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการเป็นก้อนสามมิติ ซึ่งต้องใช้เซลล์หลายล้านเซลล์ในการผลิต

นักวิจัยเชื่อว่า ในอนาคตหุ่นยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยกล้ามเนื้อมีชีวิตอาจถูกนำไปใช้ในภารกิจที่ต้องการความละเอียดอ่อน เช่น การสำรวจสภาพแวดล้อมที่เปราะบางหรือคาดการณ์ได้ยากเกินกว่าจะใช้เครื่องจักรทั่วไป เนื่องจากเนื้อเยื่อมีชีวิตมีความอ่อนนุ่ม สามารถตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม และมีศักยภาพในการซ่อมแซมตัวเองได้

ที่มา : New Atlas