Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 2)

แมลงเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตประจำวันของคนเราครับ บางทีเราก็ไม่ค่อยจะได้สนใจอะไรมันเท่าไหร่ ถ้ามันไม่มาเกาะแกะสร้างความรำคาญแก่เรา หรือไม่ได้มาต่อยหรือกัดเรา เราก็อาจจะยินดีอยู่กับมันอย่างไม่คิดอะไร แต่ในอนาคตอีกไม่นาน หากคุณเห็นแมลง เช่น ผีเสื้อกลางคืน มาเกาะแถวๆหน้าต่าง คุณควรจะเดินเข้าไปดูใกล้ๆให้ดีๆนะครับว่า มันเป็นแมลงแท้ๆ 100% หรือเป็นแมลงชีวกลที่รัฐบาลส่งมันมาเฝ้าจับตาดูความเคลื่อนไหวของเราอยู่

เพนทากอนกำลังสนับสนุนเงินทุนก้อนใหญ่ให้แก่มหาวิทยาลัยในสหรัฐฯ เพื่อพัฒนาแมลงชีวกล ที่ทำหน้าที่สปาย และอาจทำหน้าที่ทหารหน่วยจู่โจมในอนาคต ทำไมกลาโหมสหรัฐฯ ถึงสนใจเรื่องของสัตว์จิ๋วๆ พวกนี้ด้วยหล่ะครับ คำตอบก็คือ ก่อนหน้านี้ การพัฒนาหุ่นยนต์แท้ๆ 100% ให้มีขนาดเล็ก เพื่อให้มันเคลื่อนไหวได้เหมือนแมลงนั้น ค่อนข้างจะทำได้ยากมากๆ แมลงหุ่นยนต์ที่พัฒนาขึ้นมามักจะมีน้ำหนักตัวมาก ต้องใช้พลังงานค่อนข้างมากในการเคลื่อนไหว อีกทั้งระบบกล้ามเนื้อเทียม (Actuator) ที่พัฒนาขึ้นมาเพื่อทำให้แมลงบินได้ ก็ยังห่างไกลจากความสามารถของธรรมชาติอยู่หลายขุม ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์เลยเกิดความคิดว่า ทำไมเราไม่เอากลไกเชิงกลสำหรับการเคลื่อนที่ของแมลง มาผสมผสานกับเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอยู่แล้ว มาสร้างหุ่นยนต์แมลงลูกผสม โดยการเอาวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไปควบคุมระบบประสาทของแมลงเพื่อควบคุมแมลงให้ทำงานตามคำสั่งจากมนุษย์แทน

John Hildebrand ศาสตราจารย์ทางด้านประสาทวิทยาแห่ง University of Arizona กล่าวว่า "จริงๆแล้ว ก็มีความพยายามมานานเหมือนกันแล้วครับ ในเรื่องของหุ่นยนต์แมลง หรือ หุ่นยนต์จริง แต่เท่าที่ผ่านมานั้น วิศวกรได้เรียนรู้ว่าการจะทำหุ่นยนต์จิ๋วเหล่านั้นให้มีความสามารถเทียบเท่ากับแมลงในธรรมชาติ ช่างเป็นเรื่องเหลือบ่ากว่าแรงซะจริงๆ"

การนำเอาจักรกลจิ๋วและวงจรอิเล็กทรอนิกส์เข้าไปฝังตัวในแมลงให้เนียนๆ จะทำให้ยากที่จะแยกออกว่าแมลงเหล่านั้นเป็นของจริงหรือของปลอม ไม่เหมือนกับหุ่นยนต์แมลงที่อาจมีใครสังเกตจนรู้ว่ามีใครส่งหุ่นแมลงเหล่านี้มา แต่แมลงชีวกลสามารถซ่อนอุปกรณ์เหล่านั้นใต้ผิวของมันได้ ทำให้ยากที่จะรู้ว่าเรากำลังถูกสปายเข้าให้แล้ว

วันหลังมาคุยเรื่องนี้ต่อนะครับ ............

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 1)

ช่วงหลังๆนี้ ถ้าไปประชุมวิชาการทางด้านวิศวกรรมและเทคโนโลยี ก็จะต้องสังเกตเห็นการเข้ามาปะปนของชีววิทยาในรูปแบบต่างๆ เรื่องหนึ่งที่ผมสังเกตเห็นบ่อยๆ คือเรื่องเกี่ยวกับการฝังอุปกรณ์ต่างๆ ที่เรียกว่า implant เข้าไปในเนื้อเยื่อของมนุษย์และสัตว์ ซึ่งก็ต้องมีความเข้าใจในเรื่องระบบประสาท (Neuroscience) และกายวิภาค (Anatomy) รวมไปถึงสรีรวิทยา (Physiology) ของสิ่งมีชีวิตด้วยครับ ศาสตร์ทางด้านนี้บางคนเรียกว่า Man-Machine Interface ซึ่งผมเองก็กำลังทำวิจัยอยู่ แต่ทำใกล้มาทาง Machine มากกว่า Man เพราะว่าการทดลองกับคนและสัตว์นั้น มีความสุ่มเสี่ยงในเรื่องจริยธรรม มีความยุ่งยากกับระบบราชการ ต้องขออนุญาตกันเยอะแยะ เลยหนีๆ ออกมาทำฝั่งจักรกลซะมากกว่า อีกวิธีการหนึ่งที่ไม่ต้องยุ่งกับเรื่องระบบราชการมาก ไม่ต้องยุ่งกับแพทย์ ไม่ต้องเลี้ยงกระต่ายหรือหนูทดลอง ก็คือ การทำการทดลองกับแมลง ซึ่งไม่ต้องไปขออนุญาตใคร ไม่ต้องไปยุ่งกับแพทย์ ดังนั้นในช่วงหลังๆนี้ เราจึงเห็นการนำแมลงมาทำการทดลองสร้างสิ่งมีชีวิตกึ่งจักรกล หรือ Bionics กันมากขึ้นครับ

ก่อนหน้านี้ หน่วยงานทางด้านการส่งเสริมการวิจัยกลาโหมของสหรัฐอเมริกา (DARPA) ก็ออกมาเปิดเผยว่า ตอนนี้กองทัพสหรัฐมีความสนใจในเรื่องการนำแมลงมาเป็นทหาร Dr. Amit Lal ผู้ประสานงานชุดโครงการแมลงกึ่งจักรกลจุลภาค (Hybrid Insect Microelectromechanical System) กล่าวว่า "ในทางทหารนั้น เราใช้ม้าเป็นเครื่องมือในการทำสงครามมานับพันปี เราเคยใช้ช้างต่อสู้เพื่อทำยุทธหัตถี เราใช้นกพิราบส่งสารลับ ต่อไปนี้ แมลงจะเข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของสงครามครับ ........"

หลังจากการแข่งขันข้อเสนอโครงการจากมหาวิทยาลัยต่างๆ DARPA ได้คัดเลือกเพียง 3 มหาวิทยาลัยเท่านั้นให้มาทำโครงการนี้ ซึ่งได้แก่ มหาวิทยาลัยมิชิแกน, MIT ซึ่ง 2 สถาบันนี้เราคงคุ้นชื่อติดหูกันดีโดยเฉพาะ MIT ซึ่งเป็นมหาวิทยาลัยอันดับหนึ่งในเรื่องความเป็นที่รู้จัก แต่อีกสถาบันหนึ่งที่ได้รับสนับสนุนก็คือ Boyce Thompson Institute นี่ผมก็เพิ่งเคยได้ยินนี่แหล่ะครับ ซึ่งมหาวิทยาลัยมิชิแกนเน้นการใช้แมลงพวก Beetle หรือ ตัวด้วง แต่ทาง MIT และ Boyce Thompson เน้นการใช้ผีเสื้อกลางคืน มาทำเป็นแมลงชีวกล DARPA ตั้งความหวังไว้ว่าแมลงชีวกลนี้สามารถที่จะบินเข้าไปหาเป้าหมายซึ่งควบคุมด้วยวิทยุ หรือ อาจอาศัยเครื่องนำทางจิ๋วติด GPS โดยจุดปล่อยอยู่ห่างจากเป้าหมายหลายร้อยเมตร ซึ่งจะพัฒนาให้ได้เป็นกิโลเมตรในที่สุด เจ้าแมลงชีวกลนี้จะติดตั้งอุปกรณ์จิ๋วต่างๆ เช่น กล้องวิดิโอ ไมโครโฟน ก๊าซเซ็นเซอร์ เป็นต้น ซึ่งจะปลูกและเชื่อมโยงกับระบบประสาทของมัน ทำให้เราสามารถบังคับ หรือ โน้มน้าวให้มันบินไปในทิศทางหรือตำแหน่งที่ต้องการ โดยกองทัพสหรัฐฯ จะใช้มันเป็นฝูงบินแทรกซึมเข้าไปในแนวข้าศึก หรือพื้นที่สอดแนม เนื่องจากโครงการนี้เป็นโครงการทางด้านความมั่นคง จึงไม่มีแรงต่อต้านจากนักสิ่งแวดล้อมและผู้รักแมลงแต่อย่างใด

ผมจะมาเล่าเรื่องนี้ในตอนต่อๆไปนะครับ เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นและน่าติดตามวิทยาการทางด้านนี้นะครับ .........

ชีวิตสังเคราะห์ (Synthetic Organisms)

ปี 2009 จะเป็นปีแห่งการเริ่มต้นของการเชื่อมโลกจักรกลกับโลกชีวะ อุปกรณ์ทั้งหลายรวมทั้งหุ่นยนต์ ซึ่งเป็นสิ่งไร้ชีวิตจิตใจ จะได้รับการเพิ่มเติมชีวิตชีวาเข้าไปไม่ว่าจะเป็นเรื่องของสัมผัส อารมณ์ ความรู้สึก ในขณะที่สิ่งมีชีวิตจะได้รับการเพิ่มสมรรถภาพให้สูงขึ้น ด้วยการติดตั้งอุปกรณ์และอวัยวะกลเข้าไป นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกกำลังขะมักเขม้นเข็นงานวิจัยประเภทนี้ออกมาครับ

อีกแนวคิดหนึ่งที่ท้าทายกว่า 2 เรื่องข้างต้นอีก และกำลังจะเกิดขึ้นอีกไม่นานจากนี้ก็คือ การสร้างสิ่งมีชีวิตขึ้นมาใหม่เลย ด้วยการออกแบบว่าอยากจะให้สิ่งมีชีวิตนี้มีรูปร่างอย่างไร สีอะไร หน้าตาเป็นยังไง กินอะไร ทำประโยชน์อะไร เมื่อไม่นานมานี้เอง Craig Venter นักชีววิทยาชื่อดังและมหาเศรษฐีของโลก ได้ออกมาเปิดเผยว่า เขาเข้าใกล้ความสำเร็จในการสร้างชีวิตสังเคราะห์ด้วยฝีมือมนุษย์แล้ว โดยการที่เขาและทีมงานสามารถนำสารเคมีต่างๆ มาสังเคราะห์เป็นโครงสร้างพันธุกรรมของแบคทีเรียชนิดหนึ่งได้สำเร็จ ขั้นต่อไปซึ่งจะเป็นการออกแบบและสร้างสิ่งมีชีวิตชนิดใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อน ด้วยการนำโครงสร้างพันธุกรรมที่ออกแบบมานั้น ผลิตสิ่งมีชีวิตออกมาใช้งาน Craig Venter ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรกรรมวิธีดังกล่าวแล้ว ซึ่งได้สร้างความไม่พอใจแก่พวก NGO ที่ต่อต้านเรื่องนี้ แต่เขาก็ไม่ค่อยให้ความสนใจกับคำวิพากษ์วิจารณ์จากกลุ่มต่อต้าน ซึ่งกลัวว่าหากสิทธิบัตรนี้ผ่านการรับรอง นั่นหมายความว่าต่อไปคนเราก็เป็นเจ้าของสิ่งมีชีวิตที่ตัวเองออกแบบได้ แต่ Craig Venter ยืนยันว่าตนจะเดินหน้าโครงการนี้ต่อไป เพราะหากเราสังเคราห์สิ่งมีชีวิตได้ จะช่วยแก้ปัญหาระดับโลกได้มากมาย ทั้งในเรื่องของโรคภัยไข้เจ็บต่างๆ อาหาร และ พลังงาน ไปจนถึงการลดโลกร้อนด้วยการสังเคราะห์สิ่งมีชีวิตที่จะดูดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศโลก

เรื่องของสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์นั้นอาจเป็นเรื่องแปลกปลอมสำหรับคนรุ่นเราครับ แต่สำหรับเด็กรุ่นใหม่อาจจะไม่ใช่ ตอนนี้ลูกสาวผมอายุ 9 ขวบก็เริ่มออกแบบสิ่งมีชีวิตชนิดใหม่ที่หน้าตาเหมือนรูปข้างบนกันแล้วครับ ........

Virtual Fence - คอกอิเล็กทรอนิกส์

ใครที่ชอบขับรถไปเที่ยวชนบทต่างจังหวัด น่าจะมีประสบการณ์อย่างน้อยก็สักครั้ง ที่ต้องระวังฝูงวัวที่กำลังข้ามทางหลวง ไปหาที่เล็มหญ้าอร่อยๆกิน บ่อยๆ ที่เห็นฝูงวัวเหล่านั้นเล็มหญ้าริมทางหลวง แล้วเสียวไส้ กลัวพวกมันจะเดินขึ้นมาบนไหล่ทาง แต่ดูเหมือนว่าพวกมันจะรู้ว่าห้ามขึ้นไปบนทางหลวงนะ จริงๆ แล้ววัวเขารู้ว่าขอบเขตของการกินอยู่ที่ทางหลวง เพราะมันมีเส้นแบ่งชัดเจน แต่ถ้าเป็นทุ่งหญ้ากว้างๆ ล่ะ มันจะรู้มั้ย แน่นอนถ้าปล่อยให้พวกมันกินหญ้าไปเรื่อยๆ มันก็เดินของมันไปเรื่อยๆ ซึ่งอาจออกนอกอาณาเขตของฟาร์มได้ จึงทำให้เกิดแนวคิดในการล้อมคอกฝูงวัว โดยใช้ Virtual Fencing ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ไปติดบนหัววัว อุปกรณ์นี้ประกอบด้วย GPS เพื่อดูพิกัดที่วัวอยู่ แบตเตอรี โซลาร์เซลล์ Accelerometer กับ Magnetometer เพื่อดูทิศทางที่วัวกำลังเดินหรือมันกำลังเคลื่อนร่างกายอย่างไรอยู่ หากวัวกำลังจะออกนอกเขตรั้ว ขั้วไฟฟ้าที่จิ้มอยู่ที่ข้างแก้มจะปล่อยกระแสไฟฟ้าไปกระตุ้นวัว ให้เดินกลับมา พร้อมกันนั้นที่หูของมันยังมีหูฟังเพื่อปล่อยเสียงเรียกพวกมัน หรือ บอกให้มันมารวมฝูงกัน เพื่อเดินกลับไปที่พัก อุปกรณ์ที่ติดกับวัวนี้ยังเชื่อมโยงกันเป็นระบบเครือข่าย เพื่อให้ติดต่อกันได้ นักวิจัยยังใช้ข้อมูลต่างๆ เพื่อศึกษาพฤติกรรมการรวมฝูง การกินอาหาร ซึ่งจะมีประโยชน์ในศาสตร์ของ Swarm Computing หรือ การประมวลผลแบบฝูง

ต่อไปแบบนี้ก็คงมีให้ใช้กับมนุษย์ เหมือนกับในภาพยนตร์เรื่อง Fortress ไงครับ .......

Electronic Nose for Food Industry (ตอนที่ 1)

ระบบสัมผัสของมนุษย์นั้นมี ตา หู จมูก ลิ้น กาย ที่เราเรียกกันว่าสัมผัสทั้งห้า ซึ่งปัจจุบันเราก็ค่อนข้างมีความเข้าใจในประสาทสัมผัสต่างๆ เหล่านั้นเป็นอย่างดี ยกเว้น สัมผัสทางด้านกลิ่น ซึ่งเราเพิ่งจะเริ่มศึกษาและพัฒนาความเข้าใจพื้นฐาน การทำงานของมันเมื่อไม่นานมานี้เอง ทั้งนี้อาจจะเป็นเพราะว่า เราไม่ค่อยเห็นความสำคัญของมัน ทั้งๆ ที่ความสุขในชีวิตของมนุษย์เราในเรื่องการรับประทานอาหาร นั้นขึ้นอยู่กับการทำหน้าที่อย่างสมบูรณ์ของจมูก เพราะลิ้นที่รับรสนั้นบอกได้แต่เพียง หวาน เปรี้ยว ขม เค็ม เท่านั้น แต่จมูกต่างหากที่บอกว่าข้าวหน้าเป็ดต่างจากข้าวมันไก่อย่างไร อร่อยหรือว่าไม่ได้เรื่อง สำหรับสิ่งมีชีวิตอื่นๆนั้น การทำหน้าที่รับกลิ่นของจมูก หรือ ระบบสัมผัสไอโมเลกุล มีความสำคัญต่อการอยู่รอดเผ่าพันธุ์ของมันเลยทีเดียว

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดตั้งแต่สิ่งมีชีวิตชั้นต่ำอย่างแบคทีเรีย มาจนถึงสิ่งมีชีวิตชั้นสูงอย่างมนุษย์ ล้วนมีระบบสัมผัสที่ตอบรับกับโมเลกุลเคมีต่างๆที่มีอยู่รอบตัว (Molecular Sensing) ซึ่งมีความสำคัญกับการดำรงชีพ เช่น เป็นสัญญาณของอาหาร การจดจำถิ่นที่อยู่ เวลาของการผสมพันธุ์ ไปจนถึงสัญญาณเตือนภัยต่างๆ สิ่งมีชีวิตชั้นสูง เช่นมนุษย์นั้นได้พัฒนาระบบการรับรู้โมเลกุลเคมี จนก้าวหน้าไปอย่างมากทั้งระบบฮาร์ดแวร์ที่ประกอบด้วยต่อมรับกลิ่น ไปจนถึงระบบประสาทที่ส่งสัญญาณไปประมวลผลที่สมอง กับ ระบบซอฟท์แวร์ที่สามารถจดจำ ประมวลผล ในรูปแบบของความรู้สึกถึง “กลิ่นและรส” ได้ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบางชนิด เช่น หนูแฮมสเตอร์นั้น มียีนที่เข้ารหัสโปรตีนที่เป็นโมเลกุลรับกลิ่น (receptor) ถึง 1000 ยีน คิดเป็น 3% ของจีโนม (รหัสพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต) ของมันเลยทีเดียว นั่นย่อมแสดงให้เห็นว่า ประสาทสัมผัสในเรื่องการรับรู้กลิ่นและไอระเหย มีความสำคัญเพียงใด

เมื่อคนเราสูดดมอากาศเข้าไป อากาศจะนำพาไอของโมเลกุลเข้าไปในโพรงจมูก ซึ่งกระแสลมแปรปรวน (Turbulence) ในโพรงจมูกจะช่วยทำให้ไอโมเลกุลนั้นเกิดการสัมผัสกับต่อมรับกลิ่น (Odor Receptor) ซึ่งอยู่บนเซลล์ประสาทรับกลิ่น โดยปลายข้างหนึ่งของเซลล์นี้จะไปรวมกันที่ต่อมรวมประสาท (Glomeruli) ซึ่งมันจะทำหน้าที่ขยายสัญญาณ แล้วนำสัญญาณประสาทส่งไปสู่สมองส่วนที่เรียกว่า Olfactory Cortex ทั้งนี้ด้วยความพยายามในการค้นคว้าวิจัยของผู้ได้รับรางวัลโนเบลทั้งสองท่าน คือ Richard Axel กับ Linda B. Buck ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาและการแพทย์ เมื่อปี ค.ศ. 2004 ทำให้เราทราบว่าเซลล์ประสาทรับกลิ่นแต่ละเซลล์นั้นจะมีโมเลกุลรับกลิ่นอยู่เพียงชนิดเดียวเท่านั้นจากเป็นพันชนิด เซลล์รับกลิ่นที่มีโมเลกุลรับกลิ่นชนิดเดียวกันจะส่งสัญญาณไปที่ต่อมรวมประสาทแบบเดียวกัน ทำให้สมองแยกแยะได้ว่าสัญญาณที่เข้ามานั้นมากจากเซลล์ที่มีโมเลกุลรับกลิ่นแบบไหน ซึ่งสมองก็ต้องทำการประมวลผลอย่างหนักเหมือนกัน เพราะมีประเภทของโมเลกุลรับกลิ่น (ยีน) เป็นพันชนิด มีเซลล์รับกลิ่นเป็นล้านเซลล์ ที่ส่งสัญญาณมายังท่อรวมสัญญาณนับหมื่นเส้น

ระบบการรับรู้กลิ่นนั้นมีความซับซ้อนมาก มนุษย์ที่ถูกฝึกมาโดยเฉพาะเช่น นักดมน้ำหอม อาจมีความสามารถจดจำกลิ่นได้ถึง 10,000 ชนิด สำหรับคนทั่วไปนั้นจะจดจำกลิ่นได้จำนวนในหลักร้อยหรือพันเท่านั้น โดยสามารถแยกแยะกลิ่นไปต่างๆนานา ตามประสบการณ์ของตน เช่น กลิ่นไหม้ กลิ่นเปรี้ยว กลิ่นวานิลลา กลิ่นโลหะ กลิ่นหืน กลิ่นกุหลาบ กลิ่นกาแฟ และอื่นๆ โดยจมูกมนุษย์นั้นมีข้อจำกัดที่ไม่สามารถจับกลิ่นที่มีน้ำหนักโมเลกุลที่หนักกว่า 300 ดาลตัน (หนักเท่าไฮโดรเจน 300 อะตอม) ทำให้ไม่สามารถดมกลิ่นที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง รวมทั้งก๊าซพิษหลายๆ ชนิด เช่น คาร์บอนมอนนอกไซด์ เป็นต้น อีกทั้งการระบุกลิ่นก็ไม่เที่ยงตรง แต่ละคนจะมีความรู้สึกไม่เท่ากัน ที่สำคัญที่สุดคือ ไม่สามารถระบุกลิ่นในเชิงปริมาณได้ รู้เพียงว่ากลิ่นแรงหรืออ่อนๆ เท่านั้น ดังนั้นจึงเกิดแนวคิดในการวิศวกรรมเรื่องระบบดมกลิ่นขึ้น โดยการเลียนแบบจมูกมนุษย์ด้วยการสร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose) ขึ้นมา