Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 11)

วันนี้ขอกลับมาเขียนบทความเกี่ยวกับแมลงสักหน่อยนะครับ เนื่องจากช่วงนี้ที่ห้องแล็ปมีการทำการทดลองเกี่ยวกับแมลงพอดี ช่วงนี้ก็เลยกลับมาอินเรื่องนี้สักนิดนึง

ในระยะหลังๆ นี้แมลงเป็นที่สนใจในทางวิศวกรรมศาสตร์มากครับ หน่วยงานให้ทุนวิจัยด้านกลาโหมของสหรัฐอเมริกาที่รู้จักกันในชื่อว่า DARPA ได้อัดฉีดเม็ดเงินจำนวนมากเพื่อพัฒนาเทคโนโลยี ในการบังคับให้เจ้าแมลงมาทำงานเป็นทหารให้กองทัพสหรัฐฯ ในบทความก่อนหน้านี้ ผมได้ทยอยนำรายละเอียดเกี่ยวกับงานวิจัยของมหาวิทยาลัยหลายๆ แห่งที่ได้รับทุน มาเล่าสู่กันฟังไปพอสมควรแล้ว วันนี้ขอมาเล่าเกี่ยวกับประโยชน์ในการศึกษาวิธีการบินของแมลงกันหน่อยนะครับ เพราะความรู้ที่ได้จากการศึกษาว่าแมลงทำการบินอย่างไรนี้ จะมีประโยชน์มากมาย ทั้งในเรื่องของการสร้างหุ่นยนต์บินได้ หรือ อากาศยานอื่นๆ รวมไปถึง แม้แต่รถยนต์อัจฉริยะที่ขับเคลื่อนได้เอง เป็นต้น
เมื่อต้นเดือนที่ผ่านมา มีรายงานวิจัยในวารสาร Proceeding of the National Academy of Science (Andrew K. Dickerson, Peter G. Shankles, Nihar M. Madhavan, and David L. Hu, Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass, Proceeding of the National Academy of Science, doi:10.1073/pnas.1205446109) ซึ่งได้ไขข้อข้องใจที่มีมานานแล้ว เกี่ยวกับคำถามที่ว่า ทำไมยุงและแมลงบางชนิดสามารถบินลุยฝนได้โดยไม่เป็นอะไร ตัวผมเองก็เคยเอาน้ำจากฝักบัวสาดไปที่ยุง และที่น่าแปลกใจคือ หลายต่อหลายครั้ง ที่เจ้ายุงสามารถบินออกมาโดยไม่เป็นอะไรเลย อะไรทำให้มันคงกระพันชาตรี ทั้งๆ ที่น้ำฝนที่ตกลงมามีขนาดของมวลหนักกว่ามันถึง 50 เท่า และมีความเร็วกว่า 30 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ถ้าจะเปรียบเทียบให้เห็นภาพ ก็จะเหมือนการที่คนเราเดินฝ่ารถปิกอัพขนาด 3 ตันที่ตกลงมาจากท้องฟ้า นั่นเลยครับ

นักวิทยาศาสตร์พบว่า การที่ยุงมีน้ำหนักเบาแต่กลับมีกระดองที่แข็งแรง (exoskeleton หรือเปลือกที่ห่อหุ้มร่างกายของแมลง) จะทำให้มันสามารถทนทานต่อเม็ดฝนได้ เมื่อฝนตกลงมาใส่ตัวมัน มันจะผ่อนตัวลงไปกับเม็ดฝน ทำให้พลังงานจลน์ของเม็ดฝนไม่ได้ถ่ายทอดไปสู่ตัวมัน จึงไม่เกิดการกระแทกที่ทำให้บาดเจ็บ จากนั้นในช่วงเวลาที่มันกำลังร่วงลงมากับเม็ดฝน มันจะค่อยๆ ผลักตัวเองบินออกมาจากเม็ดฝนให้ได้ อันตรายอย่างเดียวของมันก็คือ หากมันบินต่ำเกินไปแล้วถูกเม็ดฝน มันอาจจะบินออกมาไม่ทันหากเม็ดฝนพามันตกกระทบพื้น จากความรู้ที่ได้นี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถที่จะนำไปออกแบบอากาศยานขนาดจิ๋ว หรือ MAV ได้ (Micro-aerial Vehicle) ซึ่งปัจจุบัน หัวข้อวิจัยนี้กำลังเป็นที่นิยมกันทั่วโลก

นอกจากนั้นยังมีนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยเดร็กเซล (Drexel University) ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (Natinal Science Foundation หรือ NSF)ได้ศึกษาหลักอากาศพลศาสตร์ (aerodynamics) หรือการไหลของอากาศผ่านปีกของแมลงเต่าทอง เพื่อทำให้แมลงสามารถยกตัวขึ้นได้ ซึ่งความรู้ที่ได้นี้จะช่วยในการสร้างอากาศยานในอนาคตที่สามารถลอยขึ้นและลงจอดได้แบบแมลง

แมลงเป็นสัตว์ที่มีวิวัฒนาการการบินที่น่าทึ่ง ครั้งหน้าที่คุณเห็นมันบินผ่านมา อย่าลืมลองสังเกตมันด้วยนะครับ แล้วคุณอาจจะค้นพบบางสิ่งที่คุณไม่เคยรู้มาก่อนเกี่ยวกับมันก็ได้ .....

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 10)

ผมเขียนบทความเรื่องแมลงชีวกล ตอนแรก ในเดือนเมษายน ค.ศ. 2009 และผมก็ทยอยเล่าเกี่ยวกับเรื่องนี้มาเรื่อยๆ จากที่ได้ติดตามดูความคืบหน้ามาเป็นระยะเวลา 3 ปีนั้น ได้มีความก้าวหน้าในเรื่องนี้เพิ่มขึ้นเป็นอย่างมากครับ หลายมหาวิทยาลัยสามารถที่จะควบคุมการบินของแมลง โดยการฝังวงจรอิเล็กทรอนิกส์เข้าไปในสมองแมลงแล้ว รวมทั้งยังมีความก้าวหน้าในด้านต่างๆ ซึ่งผมจะนำมาเล่าเพิ่มเติมให้ฟังในวันนี้

โครงการวิจัยแมลงชีวกลนี้ เกิดจากแนวคิดของ DARPA (หน่วยงานให้ทุนวิจัยของเพนทากอน) ที่ต้องการจะนำแมลงมาใช้เป็นอุปกรณ์เพื่อการทหาร โดยการฝังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เข้าไปที่ตัวแมลง แล้วทำให้แมลงทำงานแบบที่สั่งได้ เป็นชีวิตกึ่งจักรกล DARPA ต้องการเอาแมลงชีวกลนี้ไปใช้เพื่อ

(1) การลาดตระเวณในเมือง เพื่อสืบราชการลับและเก็บข้อมูล โดยแมลงอาจติดตั้งกล้องขนาดจิ๋ว ไมโครโฟน แล้วส่งเข้าไปหาข่าว บันทึกภาพและการสนทนาของเป้าหมาย และเก็บข้อมูลสภาพแวดล้อมโดยสามารถเล็ดลอดเข้าไปในเคหสถานของเป้าหมายได้ง่าย

(2) แทรกซึมเข้าไปในฐานที่ตั้งของข้าศึก โดยหน่วยรบพิเศษสามารถปล่อยฝูงแมลงชีวกลนี้เข้าไปในฐานที่มั่นของข้าศึก เพื่อสืบทราบตำแหน่งยุทโธปกรณ์หลัก การวางกำลังของข้าศึก และเก็บข้อมูลอื่นๆ

(3) ตามหาเป้าหมายที่ต้องการ เช่น การหาตำแหน่งที่แน่นอนของพลซุ่มยิงฝ่ายศัตรู หาตำแหน่งของหัวหน้าผู้ก่อการร้าย หรือ เก็บภาพจุดที่จะเข้าจู่โจม โดยเฉพาะสงครามในสภาพที่เป็นเมือง

(4) ใช้บรรทุกสัมภาระซึ่งอาจเป็นอุปกรณ์ หรือ สารเคมี หรือ สารชีวภาพ เพื่อภารกิจบางอย่าง

(5) ใช้ไปเก็บตัวอย่างในพื้นที่เสี่ยง เช่น ตัวอย่างดิน ตัวอย่างน้ำ

โดยงานวิจัยด้านแมลงชีวกลนี้ เท่าที่ผู้อ่านได้สำรวจเปเปอร์ต่างๆ พบว่าไม่มีประเทศไหนในโลก นอกจากสหรัฐอเมริกาที่ทำวิจัยในเรื่องนี้ ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าเสียดาย เพราะอันที่จริง ความก้าวหน้าในการวิจัยเรื่องนี้ ไม่เพียงแต่จะทำให้ได้เทคโนโลยีแมลงกึ่งจักรกลแล้ว องค์ความรู้ที่ได้จากการศึกษาแมลงยังสามารถต่อยอดไปยังศาสตร์อื่นๆ ได้อีกหลายๆ ด้าน ไม่ว่าจะเป็นอากาศยาน หุ่นยนต์ศาสตร์ ประสาทวิทยา หรือแม้กระทั่งการรักษาโรคสมอง หลายคนคิดว่าแมลงเป็นสัตว์ที่กระจอก ดูง่ายไม่ซับซ้อน และคงคิดว่าถ้าเรารู้จักแมลงดีแล้ว คงจะต่อยอดสูงขึ้นไปเพื่อทำอะไรกับสัตว์ใหญ่ๆ แต่แท้จริงแล้ว แมลงมีความซับซ้อนไม่แพ้สัตว์ใหญ่เลย แถมแมลงหลายชนิดยังมีพฤติกรรมแบบฝูงที่ซับซ้อน และฉลาดอีกต่างหากด้วย

ความที่แมลงเป็นสัตว์เล็ก ทำให้การจะนำอุปกรณ์จิ๋วไปติดไว้กับแมลง ก็จะมีปัญหาเรื่องพลังงานที่จะใช้สำหรับอุปกรณ์นั้น เราต้องการเทคโนโลยีแบตเตอรีขนาดจิ๋ว ที่มีความจุสูงแต่น้ำหนักเบา นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยเคส เวสเทอร์น รีเสริฟ (Case Western Reserve University) ได้ศึกษาวิธีการนำพลังงานในตัวแมลงมาใช้ เพราะเมื่อแมลงกินอาหารเข้าไป มันก็จะย่อยให้ได้น้ำตาล ซึ่งเป็นสารให้พลังงานในการดำรงชีพของมัน ดังนั้นการนำเอาสารพลังงานของมันมาใช้จึงนับเป็นแนวคิดที่ฉลาดมากๆ ครับ จากผลงานวิจัยที่เปิดเผยในวารสาร Journal of the American Chemical Society (รายละเอียดเต็มเพื่อการอ้างอิงคือ Michelle Rasmussen, Roy E. Ritzmann, Irene Lee, Alan J. Pollack and Daniel Scherson, "An Implantable Biofuel Cell for a Live Insect", Journal of the American Chemical Society 2012, 134(3), pp 1458-1460) นักวิจัยได้ทำการสอดขั้วไฟฟ้าเข้าไปตัวของแมลงสาบ ซึ่งสามารถวัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลออกมาได้ประมาณ 60 ไมโครแอมป์ต่อตารางเซ็นติเมตร โดยมีความต่างศักย์ 0.2 โวลต์ กระแสปริมาณนี้ถึงแม้จะไม่มาก แต่ก็เพียงพอสำหรับการป้อนให้แก่อุปกรณ์ขนาดจิ๋ว ซึ่งอาจพัฒนาขึ้นได้ในอนาคต โดยอาจจะประจุกระแสไฟฟ้าดังกล่าวเข้าเก็บไว้ในแบตเตอรีขนาดจิ๋วตลอดเวลา แล้วค่อยนำออกมาใช้ในเวลาที่ต้องการ ซึ่งการเสียบขั้วไฟฟ้าเพื่อไปดักจับอิเล็กตรอนจากตัวของแมลงสาบเพื่อนำออกมาใช้นี้ แมลงสาบก็ไม่ได้เจ็บและรำคาญแต่อย่างใดครับ เพราะระบบไหลเวียนเลือดของมันนั้น ไม่เหมือนกับมนุษย์เรา มันไม่ได้เป็นเส้นเลือดแบบของเรา แต่เป็นช่องเปิดที่มีของเหลวไหลผ่านได้ง่าย

เล่าต่อในตอนหน้านะครับ ....

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 9)

ในภาพยนตร์อะนิเมชันเรื่อง G-Force เราจะได้เห็นแมลงวันตัวหนึ่งที่มีชื่อว่าเจ้าหน้าที่มูช มันเป็นแมลงวันที่ติดตั้งกล้องวีดิโอ และอุปกรณ์สื่อสารไร้สาย เจ้าหน้าที่มูชทำหน้าที่ตรวจการณ์หน้า เพื่อช่วยเหลือเจ้าหน้าที่อื่นๆ ที่เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ให้สามารถเห็นภาพมุมสูง และภาพในระยะไกลได้ ถึงแม้เจ้าหน้าที่มูชจะไม่มีบทพูดในภาพยนตร์เรื่องนี้เลย แต่บทบาทของเจ้าหน้าที่มูชก็ทำให้ผมประทับใจเกือบจะที่สุดแล้ว ในจำนวนเหล่าสัตว์ทั้งหลายที่เป็นเจ้าหน้าที่สืบราชการลับ

ก่อนหน้านี้ ผมได้เล่าให้ฟังถึงโครงการ Hi-MEMS ซึ่ง DARPA เป็นสปอนเซอร์ สนับสนุนทุนวิจัย โดยมีเป้าหมายที่จะพัฒนาแมลงกึ่งหุ่นยนต์ที่สามารถบินเข้าไปในพื้นที่เป้าหมาย เพื่อปฏิบัติภารกิจ ตามความต้องการของกำลังรบ มหาวิทยาลัยหลายแห่งได้รับงบก้อนดังกล่าว และกำลังขยันขันแข็งเพื่อพัฒนาแมลงชีวกล เพื่อให้ทำงานได้ตามความต้องการของกองทัพ จริงๆ แล้วก่อนหน้าที่ DARPA จะมาสนใจศาสตร์ทางด้านแมลงกึ่งจักรกลอย่างเป็นเรื่องเป็นราวนั้น มีนักวิจัยกลุ่มหนึ่งที่มหาวิทยาลัยคอร์เนล ได้ทำการศึกษาวิจัยแมลงชีวกลอย่างเงียบๆ มาพักหนึ่งแล้ว ภายใต้แนวคิดหลักทางด้านวิศวกรรมที่เลียนแบบธรรมชาติในนามของ Laboratory for Intelligent Machine Systems หรือ LIMS พวกเขาจึงเป็นพวกที่ทำจริง และรู้จริงเกี่ยวกับเรื่องแมลงกึ่งจักรกลเหล่านี้

ทิม ไรส์แมน (Tim Reissman) นักศึกษาระดับปริญญาเอกแห่ง LIMS กล่าวว่า "แมลงทหารเหรอครับ ผมว่าตอนนี้มันยังตัวใหญ่เกินไปครับ คงต้องรอให้เราสามารถเล่นกับแมลงตัวที่เล็กลงกว่านี้ แล้วก็มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ติดบนตัวมันที่เล็กกว่านี้" ซึ่งแสดงให้เห็นว่าความก้าวหน้าของศาสตร์ทางด้านนี้ แม้จะเจ๋งในระดับหนึ่งแล้วก็ตาม แต่ก็ยังห่างไกลจากเป้าหมายที่กองทัพต้องการ ลองคิดเล่นๆ สิครับว่า ถ้ามีเจ้าแมลงขนาดสักฝ่ามือนึง บินผ่านเข้ามาในบ้านคุณ บนหลังของมันแบกน้ำหนักกล้องวีดิโอ เซ็นเซอร์ต่างๆ อุปกรณ์ส่งวิทยุ และแบตเตอรี มันพยายามจะมาสปายว่าคุณทำอะไรอยู่ คุณก็คงไม่เซ่อพอที่จะปล่อยให้มันหลุดรอดออกไปทางประตูแน่ๆ

และที่คอร์เนลนี่เอง ศาสตราจารย์ Ephrahim Garcia หัวหน้าห้องปฏิบัติการ LIMS ดังกล่าว ได้เน้นการศึกษาวิจัยเพื่อแก้ปัญหาในเรื่องพลังงานของแมลงชีวกล ด้วยการพยายามนำเอาพลังงานจากการเคลื่อนที่ของแมลง มาใช้ป้อนวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ที่ติดอยู่บนแมลง คณะวิจัยได้พัฒนาอุปกรณ์ที่ทำมาจากวัสดุ piezoelectric material ที่เปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยเมื่อปีกแมลงมีการเคลื่อนที่ ก็จะทำให้เกิดการสั่นของวัสดุชนิดนี้ ไปผลิตกระแสไฟฟ้า ศาสตราจารย์ Garcia หวังว่า เขาจะสามารถสร้างแมลงชีวกล ที่ติดอุปกรณ์ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นกล้อง GPS เซ็นเซอร์ต่างๆ โดยที่ไม่ต้องมีแบตเตอรีบนตัวแมลงเลย ...

วันนี้ผมมานอนที่ไร่องุ่นครับ ข้างนอกมืดมากๆ มีเพียงจุดที่ผมนั่งทำงานและพักหลับนอนอยู่นี้ ที่มีแสงไฟ เหล่าแมลงพากันบินมาชุมนุมตรงที่เรานั่งอยู่ ทำให้ผมอดคิดไม่ได้ว่า เรื่องแมลงหลงไฟ ก็อาจเป็นอีกปัญหาหนึ่งที่เราต้องแก้ เพื่อให้มันอยากปฏิบัติภารกิจมากกว่าบินตามไฟ ...

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 8)

เมื่อสัก 2-3 เดือนก่อน ผมได้อ่านเจอบทความเกี่ยวกับความวิตกกังวลในภาวะโลกร้อน ซึ่งทำให้ผึ้งหลายชนิดอาจจะสูญพันธุ์ ส่งผลให้การเกษตรในอนาคตจะเสียหายเป็นอย่างมาก เนื่องจากพืชพันธุ์หลายชนิด อาศัยผึ้งช่วยในการผสมเกสร ซึ่งในช่วงนั้น มีบทความหรือข่าวเกี่ยวกับเรื่องนี้บ่อยมาก ทั้งในเน็ต หรือในนิตยสารที่ผมรับประจำอย่าง Newsweek และ Time ก็พูดถึงเรื่องนี้ ซึ่งผมก็อ่านผ่านๆ ตา ไม่ได้ให้ความสนใจเท่าใดนัก

จริงๆ แล้ว เรื่องของความเสี่ยงต่อการสูญพันธุ์ของสัตว์หลายชนิดเมื่อโลกร้อนขึ้น นั้นเป็นเรื่องที่พูดกันมานานแล้ว แต่สำหรับผม เชื่อว่า การเกิด แก่ เจ็บ ตาย เป็นเรื่องปกติ ไม่แปลกอะไรที่สัตว์ที่แข่งขันไม่ได้จะสูญพันธุ์ไปในที่สุด แม้แต่มนุษย์อย่างพวกเราเอง วันหนึ่งก็ต้องมีสัตว์อื่นขึ้นมาแทนที่ ดังนั้น การอนุรักษ์หรือพยายามรักษาไม่ให้สัตว์ชนิดไหนสูญพันธุ์ สำหรับผมแล้วเป็นเรื่องที่ไม่ค่อยมีเหตุผลนัก ออกจะใช้อารมณ์เสียด้วยซ้ำ แต่สำหรับผึ้งแล้ว การสูญพันธุ์ของมันจะมีผลต่อมนุษย์ค่อนข้างมาก จนเราอาจต้องให้ความสนใจกับเรื่องนี้

นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาแนวทางในการแก้ปัญหาเรื่องนี้ครับ ผึ้งอาจจะสูญพันธุ์ การอนุรักษ์อาจไม่ได้ผล ดังนั้นเราจึงต้องอาศัยเทคโนโลยีเข้าช่วย เทคโนโลยีหนึ่งที่คิดว่าเป็นไปได้คือการพัฒนาหุ่นยนต์ผึ้งออกมา หรือทำผึ้งชีวกล ที่ทำงานเหมือนผึ้งจริงๆ

ทีมวิจัยของศาสตราจารย์ โรเบิร์ต วู้ด (Robert Wood) แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) กำลังพัฒนาฝูงหุ่นยนต์ผึ้งที่มีชื่อเรียกว่า Robobee โดยอาศัยความร่วมมือระหว่างภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า ภาควิชาชีววิทยา และ ภาควิชาวัสดุศาสตร์ รวมไปถึงภาควิชาคอมพิวเตอร์ ด้วยความสำคัญของแนวคิดนี้ ทางมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ของสหรัฐอเมริกาได้สนับสนุนทุนวิจัยที่มีมูลค่าถึง 1 ล้านเหรียญสหรัฐ หรือ 35 ล้านบาท เป้าหมายก็คือ จะต้องสร้างฝูงหุ่นยนต์ผึ้งที่สามารถทำงานทดแทนผึ้งให้ได้ภายใน 5 ปี โดยเจ้าหุ่นยนต์ผึ้งนี้จะทำงานประสานกันเป็นฝูง โดยเกษตรกรจะวางรังของมันเอาไว้ในเรือกสวนไร่นา มันมีเซ็นเซอร์ที่จะตรวจหาดอกไม้ และมีกล้องขนาดเล็กเพื่อทำแผนที่ของไร่สวน จากนั้นมันจะถ่ายทอดแผนที่ให้แก่ หุ่นยนต์ผึ้งตัวที่ใหญ่กว่า มีแบตเตอรีใหญ่กว่า เพื่อบินออกไปทำการผสมเกสร

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 7)

แมลงเป็นสิ่งมีชีวิตที่น่าทึ่ง มันมีอยู่ทุกหนทุกแห่ง ผมแอบหลงใหลความเจ๋งของมันมาตั้งแต่เด็กๆ สมัยเรียนปริญญาตรีผมเกือบจะไปเรียนทางด้านนี้แล้วครับ แต่ก็ไม่ได้เรียน เพราะหลักสูตรชีววิทยาเมืองไทยทำได้น่าเบื่อมากครับ ผมเลยโชคดีที่ไม่ได้เรียนเรื่องนี้ แต่อย่างว่าแหล่ะครับ ศตวรรษที่ 21 เป็นศตวรรษของชีววิทยา ในที่สุดผมก็ได้กลับมาหาชีววิทยาอีกครั้ง แต่ครั้งนี้ ชีววิทยาไม่ได้น่าเบื่ออีกต่อไป .......

กลุ่มวิจัยหนึ่งที่เกาะติดในเรื่องความแก่งของแมลงมานาน 30 ปี ก็คือกลุ่มของ ศาสตราจารย์ เรียวเฮอิ คันซากิ (Professor Ryohei Kanzaki) สังกัดศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีก้าวหน้า มหาวิทยาลัยโตเกียว (Tokyo University's Research Center for Advanced Science and Technology) ก่อนหน้านี้ ท่านสนใจที่จะศึกษาสมองมนุษย์ เพื่อที่จะหาทางรักษาสมองที่ถูกทำลายโดยโรคภัยไข้เจ็บ และอุบัติเหตุ เพื่อที่จะเข้าใจสมองมนุษย์ ท่านได้ย่อขนาดของการศึกษาลงมาที่แมลง ทำไปทำมา ท่านเลยกลายมาเป็นกลุ่มแนวหน้าในศาสตร์ของแมลงชีวกลในตอนนี้ไปแล้ว

สมองคนเรานั้นมีเซลล์ประสาทประมาณ 1,000 ล้านเซลล์ ในขณะที่แมลงมีเพียงประมาณ 100,000 เซลล์เท่านั้น แต่สมองกระจิดริ๊ดของมันก็ทำอะไรได้หลายอย่าง แมลงไหมตัวผู้สามารถสะกดรอยตามตามตัวเมีย ได้จากระยะทางไกลเป็นกิโลเมตร โดยอาศัยการตามกลิ่นฟีโรโมน สมองน้อยๆของมันช่วยในการควบคุมการบินผาดโผนตามจับแมลงตัวอื่นๆกินเป็นอาหาร โดยเฉพาะในเรื่องซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการบินของมันนั้น ต้องยอมรับว่าคนเรายังต้องเรียนรู้อีกเยอะ เพื่อจะสร้างอากาศยานที่มีความสามารถแบบนั้น ศาสตราจารย์คันซากิกล่าวอย่างมีความหวังว่า "ในอนาคตผมคิดว่า เราจะสามารถสร้างสมองของแมลงจากวงจรอิเล็กทรอนิกส์" ซึ่งนี่อาจจะเป็นก้าวแรกในการนำวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไปใส่ในสมองมนุษย์ก็ได้ครับ

ศาสตราจารย์คันซากิประสบความสำเร็จในการดัดแปรพันธุกรรมของแมลงไหม ทำให้มันตอบสนองต่อแสงแทนการตอบสนองต่อกลิ่น หรือตอบสนองต่อกลิ่นของแมลงพันธุ์อื่น ซึ่งในอนาคตอาจจะใช้แมลงชีวกลนี้ในการสืบหายาเสพติด หรือวัตถุระเบิดได้ ท่านได้ทำการทดลองเอาแมลงมายืนอยู่บนลูกกลิ้งที่สามารถหมุนอย่างอิสระได้ ซึ่งจะไปควบคุมการขับเคลื่อนของรถ (เหมือนกับเอาแมลงไปขับรถ แต่เป็นรถสำหรับแมลง) หากแมลงทำขาขยับจะเดินไปทางไหน รถก็จะขยับไปทางนั้น ปรากฎว่าสักพักแมลงจะเรียนรู้ในการบังคับรถได้

อาจารย์คันซากิ ยังกล่าวต่อด้วยประกายความคิดที่น่าตื่นเต้นว่า "ลองนึกถึงคนเราเองสิครับ เวลาเราเดินด้วยขาสองข้าง ก็ทำได้เพียงประมาณ 5-6 กิโลเมตรต่อชั่วโมงเท่านั้น แต่พอขึ้นไปขับรถ เราสามารถบังคับมันให้วิ่งไปได้เร็วถึง 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมง มันน่าทึ่งนะครับ ที่เราสามารถเร่ง เบรค และขับรถหลบหลีกสิ่งต่างๆ ได้ที่ความเร็วขนาดนั้น สมองของเราได้เปลี่ยนรถยนต์ให้เป็นส่วนหนึ่งของร่างกายเรา ผมคิดว่าแมลงก็น่าจะทำอย่างนั้นได้ เราน่าจะทำให้สมองของมันบังคับยานพาหนะที่เหมาะสมกับพวกมันได้ มันคงไม่น่าสนใจหรอกครับ หากเราสร้างแมลงหนอนหุ่นยนต์ที่คลานช้าๆเหมือนหนอนตัวจริง เพราะฉะนั้น ที่เราควรทำคือสร้างของปลอมที่ทำได้ดีกว่าของจริงต่างหาก"

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 6)

วันนี้ผมขอเล่าเรื่องแมลงชีวกลกันต่อนะครับ อย่างที่ผมเคยบอกในตอนก่อนๆล่ะครับว่า ความสนใจในเรื่องของแมลงชีวกลมีมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องมาจากความสนใจในภาพรวมของเรื่อง Hybridized Machine-Life หรือ Man-Machine Interface หรือ การบูรณาการความเป็นจักรกลเข้ากับสิ่งมีชีวิต แต่การเอาจักรกลไปทำกับคน ต้องผ่านเรื่องจริยธรรมเยอะแยะ นักวิจัยส่วนหนึ่งเลยหันไปทำวิจัยเรื่องนี้กับแมลง เพราะไม่ต้องไปขออนุญาตคณะกรรมการ แมลงเป็นสัตว์หาง่าย เลี้ยงง่าย เพาะง่าย ไม่ต้องการพื้นที่เลี้ยงอะไรมากมาย

กระทรวงกลาโหมของสหรัฐฯ ได้จัดให้มหาวิทยาลัยต่างๆ ที่ได้รับทุนวิจัยเรื่องนี้แข่งกันพัฒนาเทคโนโลยี ที่ใช้แนวคิดและระเบียบวิธีวิจัยไม่เหมือนกัน เป้าหมายแรกคือ การทำให้เจ้าแมลงกึ่งจักรกลนี้บินไปสู่เป้าหมายที่กำหนดในระยะ 100 เมตร โดยกำหนดให้ผิดพลาดได้ไม่เกิน 5 เมตร ตอนนี้มีแข่งกัน 3 วิธีครับคือ (1) ใช้สัญญาณวิทยุควบคุมให้แมลงเข้าไปยังที่หมาย ซึ่งวิธีนี้มีความเสี่ยงที่ข้าศึกจะสามารถตรวจจับการใช้สัญญาณวิทยุได้ (2) ใช้ GPS เพื่อนำทางแมลงชีวกลให้บินเข้าไปสู่เป้าหมาย (3) ใส่คำสั่งล่วงหน้าไว้ในชิพที่ควบคุมแมลง เพื่อทำให้แมลงบินไปตามแผนคำสั่ง เช่น บินไป 50 เมตร แล้วเลี้ยวขวา จากนั้นไปต่ออีก 50 เมตร เป็นต้น ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อได้เปรียบเสียเปรียบ

แต่ละทีมที่แข่งกันก็มีวิธีในการบังคับแมลงไม่เหมือนกันด้วย บางทีมจะจิ้มอิเล็กโทรดเข้าไปที่กล้ามเนื้อของแมลงโดยตรง ซึ่งจะสามารถบังคับแมลงให้บินช้าบินเร็ว เลี้ยวซ้ายเลี้ยวขวาได้โดยตรง แต่บางทีมใช้วิธีจิ้มอิเล็กโทรดทั้งที่ประสาทที่ควบคุมกล้ามเนื้อ พร้อมๆกับที่กล้ามเนื้อด้วย นั่นคือ การไปบังคับที่ส่วนสมองของมันด้วย

ที่กล่าวมาทั้งหมดนั้น เป็นเรื่องของการเอาจักรกลจิ๋ว (MEMS) ไปควบคุมแมลงครับ แต่ยังมีอีกแนวคิดหนึ่ง คือการเอาระบบสมองของแมลงไปควบคุมจักรกลหรือหุ่นยนต์ ว่างๆจะนำเรื่องนี้มาเล่าให้ฟังครับ

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 5)

วันนี้มาพูดเรื่องแมลงกันอีกนะครับ ช่วงนี้หน้าฝน พอหลังฝนตก แมลงชอบมาตอมไฟ เช้าก็ต้องมากวาดกัน วันนี้ผมเลยต้องขอคุยต่อเกี่ยวกับโครงการที่จะเปลี่ยนแมลงให้เป็นครึ่งสัตว์ครึ่งจักรกล

วิธีที่เขาใช้ในการสร้างแมลงชีวกลมักจะเริ่มตั้งแต่แมลงยังเป็นตัวอ่อนที่เรียกว่า larvae หรือตัวหนอน ซึ่งกระบวนการเปลี่ยนแปลงจากตัวหนอนไปเป็นแมลงนี้มีชื่อว่า metamorphosis ฟังดูคุ้นๆมั๊ยครับ นักวิจัยจะทำการฝังอุปกรณ์จักรกลจุลภาคหรือ MEMS เข้าไปในดักแด้ของแมลง เพื่อที่จะทำให้อุปกรณ์นั้นเกิดการเชื่อมต่อกับอวัยวะของแมลง ตั้งแต่ช่วงที่เป็นดักแด้นี่แหล่ะครับ โดยมากเขาก็จะเน้นการเชื่อมต่อกับระบบประสาท และระบบกล้ามเนื้อของมัน เมื่อดักแด้พัฒนาไปสู่แมลงตัวเต็มวัย มันจะไม่รู้สึกว่าอุปกรณ์ MEMS ที่ใส่เข้าไปนี่เป็นสิ่งแปลกปลอม แน่นอนว่าเจ้าอุปกรณ์ MEMS ที่ปลูกเข้าไปในตัวแมลง จะต้องมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา

ตอนแรกผมก็คิดว่าทหารสหรัฐฯ เขาคงทำเรื่องนี้เล่นๆ สนุกๆ แต่ปรากฏว่า เพนทากอนได้ทำสัญญาว่าจ้างทั้งบริษัทเอกชน และมหาวิทยาลัยหลายแห่ง ให้พัฒนาแมลงชีวกลหลากหลายจำพวก นี่แสดงให้เห็นว่ากองทัพสหรัฐฯ ซีเรียสเรื่องนี้จริงๆครับ และเพื่อความไม่ประมาท เพนทากอนพยายามกระจายความเสี่ยงด้วยการหว่านโปรเจ็คต์ไปหลายๆ ที่ เพื่อถ้าหากมหาวิทยาลัยไหนทำแล้วไม่สำเร็จ ก็ยังมีที่อื่นที่อาจจะทำได้ ตัวอย่างหนึ่งที่น่าสนใจก็คือ เพนทากอนได้ว่าจ้างบริษัท Agiltron Corporation ให้พัฒนาเทคโนโลยีการปลูกถ่ายอุปกรณ์ MEMS ที่ทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ตรวจวัดก๊าซ เข้าไปในตัวอ่อนแมลง โดยเซ็นเซอร์นี้จะอาศัยพลังงานจากการเก็บเกี่ยวคลื่นวิทยุที่มีอยู่ทั่วไปในอากาศ

เรื่องนี้ยังไม่จบนะครับ ..... วันหลังผมจะมาเล่าให้ฟังต่อนะครับ .....

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 4)

ภรรยาผมเป็นคนที่ไม่ชอบแมลงเอาเสียเลย ในขณะที่เจ้าลูกชายของผมนั้นชอบจับมันมาขัง มาเลี้ยง มาเล่น มาศึกษา ส่วนตัวผมเองนั้นชอบสะสมแมลงของเล่นทุกอย่าง เพราะมันน่ารักดี วันก่อนผมไปที่ NECTEC ได้ไปคุยกับ ดร. อดิสร และ ดร. วิบูลย์ ก็ปรึกษากันว่า ทำไมเราไม่ทำเรื่องแมลงชีวกลกันบ้าง ไปจับแมลงมาฝัง microchip กันดูบ้าง ทำกับแมลงง่ายกว่าทำกับหนู เพราะไม่ต้องไปขออนุญาตใคร แมลงมีเยอะแยะไปหมด ไม่ต้องไปทำเรื่องจริยธรรมการทดลองในสัตว์ เพราะแมลงเป็นสัตว์ชั้นต่ำ (แต่เจ๋ง) จะหาก็ง่าย จะจับก็ง่าย จะเลี้ยงก็ง่าย แต่พอมาถึงคำถามที่ว่า จับมันมาทดลองแล้วมันตายจะบาปมั๊ย ? สุดท้ายไม่มีใครตอบได้ ก็เลยตกลงกันว่าอย่าเพิ่งทำเรื่องนี้เลย ไปทำอย่างอื่นก่อนดีกว่า ........

โลกเราถูกปกครองด้วยแมลงครับ มันเป็นสิ่งมีชีวิตที่หาง่ายที่สุดในโลก เฉพาะชนิดพันธุ์ของมันก็ยังไม่รู้ว่ามีเท่าไหร่กันแน่ ประมาณว่าน่าจะมีแมลงอยู่ทั้งหมด 6-10 ล้านชนิด ซึ่งจำแนกได้แล้ว 1 ล้านชนิด ดังนั้นใครอยากจะเป็นศาสตราจารย์แมลง ก็แค่ไปหาว่าที่เหลืออยู่ที่ไหน ซึ่งไม่ยากเพราะยังมีอีกเยอะ ว่ากันว่าแมลงครอบครอง 90% ของจำนวนชนิด (species) ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

โครงการ HI-MEMS (Hybrid Insect Micro-Electro Mechanical Systems) ของ DARPA หน่วยงานให้ทุนด้านกลาโหมของสหรัฐฯ กำลังจะนำแมลงมาใช้เป็นอาวุธในการสงครามสมัยใหม่ เป้าหมายของโครงการวิจัยก็คือ สร้างเทคโนโลยีที่สามารถผนวกจักรกลจุลภาค (MEMS) เข้าไปในกายวิภาคและระบบประสาทของแมลง เพื่อควบคุมและใช้งานแมลง ทีนี้ก็จะอาจจะมีคำถามขึ้นมาว่า แมลงตัวน้อยเนี่ยนะ มันจะมีประโยชน์อะไร?

คำตอบก็คือ DARPA เขาต้องการเอาแมลงชีวกลนี้ไปใช้เพื่อ (1) ลาดตระเวณในเมือง เพื่อสืบราชการลับและเก็บข้อมูล (2) แทรกซึมเข้าไปในฐานที่ตั้งของข้าศึก (3) ตามหาเป้าหมายที่ต้องการ เช่น การหาตำแหน่งที่แน่นอนของพลซุ่มยิงฝ่ายศัตรู หาตำแหน่งของหัวหน้าผู้ก่อการร้าย หรือ เก็บภาพจุดที่จะเข้าจู่โจม (4) ใช้บรรทุกสัมภาระซึ่งอาจเป็นอุปกรณ์ หรือ สารเคมี หรือ สารชีวภาพ เพื่อภารกิจบางอย่าง (5) ใช้ไปเก็บตัวอย่างในพื้นที่เสี่ยง เช่น ตัวอย่างดิน ตัวอย่างน้ำ

หาก DARPA จะเกณฑ์แมลงมาเป็นทหารจริงๆ อุปสรรคที่ DARPA จะต้องเผชิญก็มีมากมายเหมือนกันที่ต้องแก้ เช่น แมลงส่วนใหญ่ชอบไฟ ดังนั้นต้องควบคุมไม่ให้มันหลงไฟ นอกจากนั้นพวกมันยังกำจัดได้ง่ายมาก โดยใช้ยาฆ่าแมลง หลายๆ คนอาจจะคิดว่ามันทนทายาด แต่จริงๆแล้วผมขอบอกว่า แมลงกำจัดง่ายมาก ขอให้มียาฆ่าแมลงสูตรเข้มข้นก็พอ

วันหลังผมจะนำความก้าวหน้าทางด้านนี้มาเล่าให้ฟังอีกครับ ......

Bionic Insect - แมลงชีวกล (ตอนที่ 3)

แฟนของผมเป็นคนที่ไม่ค่อยถูกโฉลกกับแมลงเอามากๆ ซึ่งนั่นอาจจะเป็นลักษณะของผู้หญิงโดยมาก ตรงข้ามกับผมซึ่งเป็นคนที่นิยมชมชอบในความเจ๋งของแมลง และอยากจะศึกษาสิ่งมีชีวิตมหัศจรรย์พวกนี้ ทุกครั้งที่เห็นพวกมัน ผมจะต้องเข้าไปดูใกล้ๆ ว่าพวกมันมีหน้าตายังไง พวกมันครองโลกมานานกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทั้งหมด และเมื่อมนุษย์สูญพันธุ์ไปแล้ว แมลงก็จะยังอยู่ต่อไปครับ น่าเสียดายที่ผมไม่ค่อยมีความรู้เรื่องแมลงมาก และน่าเสียดายอีกที่คนที่รู้เรื่องแมลงและเก่งเรื่องแมลงในประเทศไทยทั้งหมด ไม่มีความรู้ทางด้านวิศวกรรมแมลง (Insect Engineering) เพราะว่า .... แมลงกำลังจะกลายเป็นศูนย์กลางการศึกษาหุ่นยนต์แบบลูกครึ่งชีวจักรกล .....

ก่อนหน้านี้ ก็มีการวิจัยเพื่อนำสิ่งมีชีวิตต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น หนู นกพิราบ หรือ ปลาฉลาม มาทำให้เป็นกึ่งสัตว์กึ่งจักรกลที่มนุษย์สามารถสั่งให้ไปทำภารกิจต่างๆ มาระยะหนึ่งแล้ว ซึ่งก็ประสบความสำเร็จในระดับหนึ่ง ปัญหาของสัตว์เหล่านั้นก็คือ มันตัวโตเกินไป ทำให้เป็นที่สังเกตเห็นได้ ไม่เหมือนแมลงที่ปกติคนเราก็จะไม่ค่อยสนใจพวกมันอยู่แล้ว ทำให้แมลงพวกนี้เหมาะที่จะนำมาทำเป็นสัตว์กึ่งหุ่นยนต์เพื่อใช้ในการทหาร

Michel Maharbiz ผู้ช่วยศาสตราจารย์หนุ่มแห่งภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบอร์คลีย์ (University of California Berkeley) เป็นกลุ่มวิจัยหนึ่งที่ทำงานทางด้านแมลงชีวกล เขาได้ปลูกขั้วอิเล็กโทรดลงไปในปมประสาทสมองส่วนควบคุมการบินของแมลงทับสายพันธุ์ Green June Beetle เมื่อทีมงานของเขาปล่อยศักย์ไฟฟ้าลบเข้าไป ปีกของแมลงทับก็จะขยับทำให้มันบินขึ้น แต่เมื่อปล่อยศักย์ไฟฟ้าบวกเข้าไป ปีกของมันจะหยุดบิน ดังนั้นด้วยการควบคุมการปล่อยศักย์ไฟฟ้าสลับกันไปนี้ ก็จะทำให้เจ้าแมลงทับกึ่งหุ่นยนต์นี้สามารถบินสูงๆ ต่ำๆ ได้ตามที่เราต้องการ นักวิจัยได้ต่อขั้วไฟฟ้าเข้าที่กล้ามเนื้อปีกของแมลงทับ ทำให้สามารถควบคุมได้ว่าจะให้ข้างไหนทำงานมากว่าอีกข้าง เป็นผลให้เราสามารถควบคุมการเลี้ยวของมันได้