Research

สิ่งประดิษฐ์และนวัตกรรมจากการเลียนแบบธรรมชาติ (Biomimicry or Bioinspiration) : ตอนที่ 1


อาจารย์ธรรมนูญ อุดมมั่น​  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
30 สิงหาคม 2558  

       ความรู้และทักษะพื้นฐานของคนจะเป็นวิศวกรที่สำคัญนอกจากต้องมีความสนใจในด้านคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ ช่างคิด ชอบสร้าง และชอบทดลองเพื่อหาข้อเท็จจริงและสมมติฐานต่างๆ นอกจากนี้ วิศวกรที่ดีควรมีเป็นคนช่างสังเกต ซึ่งเป็นทักษะที่ก่อให้เกิดสิ่งประดิษฐ์และนวัตกรรมใหม่เพื่อตอบสนองความต้องการที่ทำให้การใช้ชีวิตประจำวันสะดวกสบายและแก้ไขปัญหาต่างๆ ดีขึ้น 

       ตัวอย่างเช่น

       แต่การใช้ทั้งรถยนต์และเครื่องปรับอากาศนั้นต้องใช้เชื้อเพลิงหรือกระแสไฟฟ้าที่ผลิตจากการเผาไหม้แก๊สธรรมชาติ น้ำมัน และถ่านหิน ก่อเกิดแก๊สเรือนกระจก (greenhouse gases) ที่ส่งผลทำให้โลกร้อนขึ้น ซึ่งเป็นการพัฒนาแบบไม่ยั่งยืนต่อสิ่งแวดล้อมและการใช้ชีวิตของมนุษย์ 
       จากข้อความที่กล่าวข้างต้นนั้นเป็นความท้าทายของวิศวกรที่จะสร้างสิ่งประดิษฐ์และนวัตกรรมที่สร้างความยั่งยืนหรือลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร ? 
       คำตอบหรือทางออกของปัญหาที่สำคัญส่วนหนึ่ง คือ การมองย้อนกลับไปที่ความเป็นธรรมชาติรอบๆ ตัวเรา นั่นเอง หลังจากการสังเกตปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเป็นปกติของธรรมชาติและหาเหตุผลว่าสิ่งใดหรืออะไรทำให้เกิดปรากฏการณ์นั้น ทำให้พบสิ่งที่ถูกสรรสร้างไว้แล้วโดยธรรมชาติอย่างน่าทึ่งอย่างมาก เช่น
       ปลวก เป็นวิศวกรโยธาที่สร้างบ้านควบคุมอุณหภูมิได้ดีที่สุด แม้ว่ารังของปลวกจะอยู่กลางแดดร้อนๆ 
       ใบบัว “น้ำกลิ้งบนใบบัว” ที่ทำสะอาดตัวเองจากฝุ่นที่มาเกาะได้ เพียงมีฝนหรือน้ำตกลงไป
       ใยแมงมุม เป็นเส้นใยที่แข็งแรงกว่าเส้นใยสังเคราะห์ เช่น เส้นใยคาร์บอน เส้นใย Kevlar ที่ผลิตโดยมนุษย์ เป็นต้น

       ในบทความนี้ตั้งใจนำเสนอ สิ่งประดิษฐ์และนวัตกรรมใหม่ที่ได้แรงบันดาลใจจากการสังเกตปรากฏการณ์ธรรมชาติ(Biomimicry or Bioinspiration) ซึ่งผู้เขียนคาดว่าบทความนี้จะทำให้ผู้อ่านที่สนใจเริ่มหันมาสังเกตปรากฏการณ์ธรรมชาติรอบตัวอย่างพินิจพิเคราะห์มากขึ้น ท่านผู้อ่านคงอยากรู้แล้วใช่ไหมครับว่าธรรมชาติรอบตัวมีอะไรให้เราถอดรหัสความลับที่ซ่อนอยู่ แล้วความลับนั้นมนุษย์จะนำมาใช้ประโยชน์อะไรได้บ้าง

       รังปลวกหรือจอมปลวก กับ อาคารประหยัดพลังงาน

       รูปด้านบนเป็นอาคาร East gate Building ในกรุงฮาราเร ประเทศซิมบับเว ที่สร้างเลียนแบบจอมปลวกที่ซิมบับเว  ซึ่งอาคารนี้ใช้ระบบปรับอากาศที่เลียนแบบจอมปลวกของปลวกสายพันธุ์หนึ่ง ซึ่งสามารถควบคุมอุณหภูมิของบริเวณที่
เชื้อราที่เป็นอาหารของปลวกเติบโตได้ดี โดยอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไม่เปลี่ยนแปลงมากนักทั้งกลางวันและกลางคืน (termite air conditioning) โดยดูลักษณะการระบายอากาศของจอมปลวกดังรูปด้านล่างนี้

       ดังนั้น อุณหภูมิภายในรังปลวกจะเย็นสบายคงที่ประมาณ 30.5° C (87° F) แม้ว่าอุณหภูมิภายนอกจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรในช่วงอุณหภูมิ 2° – 40°C และจากการเรียนรู้นี้ทำให้อาคาร East gate Building นี้ไม่ต้องใช้เครื่องปรับอากาศเลย และใช้พลังงานน้อยกว่าตึกขนาดเดียวกันในบริเวณใกล้เคียงถึงร้อยละ 90 สามารถประหยัดค่าเครื่องปรับอากาศได้ 3.5 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ภายใน 5 ปี ทำให้ค่าเช่าตึกที่นี่และต้นทุนต่างๆ ถูกกว่าตึกอื่นที่อยู่ใกล้เคียงกันอย่างมาก เทคโนโลยีหรือรายละเอียดของการออกแบบอาคาร East gate Building สำหรับผู้ที่สนใจสามารถค้นคว้าได้จากสื่อออนไลน์ หรือดูจาก www.youtube.com และแหล่งข้อมูลที่ให้ไว้ด้านล่างนี้ครับ 

แหล่งข้อมูลค้นคว้าเพิ่มเติม
1. http://thaipublica.org/2013/12/b-talk-1/ 
2. http://rt-bi.nl/social-responsibility/biomimicry/macrotermitine-termites/ 
3. http://insectsdiditfirst.com/2013/09/18/the-termite-mound-a-not-quite-true-popular-bioinspiration-story/ 

       รถไฟชินคังเซน กับ นกคิงฟิชเชอร์
       “รถไฟชินคังเซน (Shinkansen)” หรือรถไฟหัวกระสุนที่เร็วสุดยอดของญี่ปุ่น แต่ถ้าผู้อ่านทราบเรื่องต่อไปนี้อาจเปลี่ยนชื่อรถไฟหัวกระสุน เป็น “รถไฟหัวปากนก” แทนก็ได้ครับ โดยรถไฟชินคังเซนขบวนแรกในชื่อ Hikari No.1 เริ่มใช้งานในวันที่ 1 ตุลาคม 1964 ทำความเร็วได้สูงสุดที่ 210 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
       รถไฟชินคังเซนขบวนแรก Hikari No.1 ในตระกูล รถรุ่น 0 Series จากหน้าตาของรถไฟรุ่นนี้ ทำให้เรียก Shinkansen มีอีกชื่อที่เรียกกันติดปากว่า “รถไฟหัวกระสุน”

       จากนั้นประเทศญี่ปุ่นได้พัฒนารถไฟหัวกระสุน (Bullet train) รุ่นต่อมาอย่างต่อเนื่อง เช่น รถไฟรุ่น 300 Series เริ่มต้น/สิ้นสุดการให้บริการในสาย Tokaido Shinkansen และ Sanyo Shinkansen ปี  1992/2012 ความเร็วสูงสุดในการให้บริการ 270 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

       จากนั้นได้มี รถไฟรุ่น 500 Series และ 700 Series ที่มีความเร็วสูงสุดในการให้บริการ 300 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

   รถรุ่น 500 Series                                         รถรุ่น 700 Series 

       ผู้อ่านคงกำลังค้างคาใจว่า ทำไมรถไฟหัวกระสุน จึงอาจเรียกว่า “รถไฟหัวปากนก”ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น เรื่องราวอย่างคราวๆ เป็นดังนี้ครับ 

       ลักษณะหน้าตาที่เปลี่ยนไปของรถไฟชินคังเซนตามรูปด้านบนนั้น  ก็เพราะต้องการพัฒนาเพื่อให้รถไฟชินคังเซนสามารถวิ่งด้วยความเร็วสูงมากขึ้น โดยลดผลกระทบจากแรงต้านลม ลดเสียง และลดการสั่นสะเทือน โดยเฉพาะการวิ่งภายในอุโมงค์ ขณะที่รถไฟกำลังออกจากอุโมงค์จะเกิดคลื่นเสียงที่ดังมากคล้ายกับการเกิด Sonic boom ที่แสดงดังรูปด้านล่างนี้ 

       เนื่องจากกฏหมายด้านสิ่งแวดล้อม (Japanese Environment Agency) ได้กำหนดไว้ว่ารถไฟต้องความดังของเสียงไม่เกิน 75 เดซิเบล (decibels) ที่วัดจากห่างไปจากรางรถไฟในระยะ 25 เมตร รถไฟรุ่น300 Series ที่ทำความเร็วสูงสุด 270 กิโลเมตรต่อชั่วโมง จึงมีปัญหามลพิษด้านเสียงเนื่องจากมีความดังของเสียงถึง 80 เดซิเบล
       รถไฟชินคังเซน รุ่น 500 ซีรี่ส์นั้น ได้ถูกบรรจงออกแบบเพื่อแก้ปัญหาข้างต้น โดยออกแบบให้ด้านหน้ารถไฟมีลักษณะคล้ายกับจะงอยปากอันยาวเรียวของ “นกคิงฟิชเชอร์ (kingfishers)” ซึ่งเป้นนกที่สามารถบินพุ่งไปจับปลาในน้ำได้รวดเร็วราวกระสุนปืนที่พุ่งตัวจากอากาศลงไปในน้ำจับปลาโดยแทบไม่ทำให้เกิดการกระเซ็นของน้ำเลย ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มาจากความช่างสังเกตของวิศวกรของสายรถไฟ JR West ที่ชื่อ อิจิ นาคัทซึ (Eiji Nakatsu) ผู้ที่รักการดูนก (birdwatcher) ที่แสดงดังรูปด้านล่างนี้

       โดยเมื่อออกแบบหัวของรถไฟชินคังเซนตามแนวคิดของคุณ อิจิ นาคัทซึ พบว่าสามารถลดความดังของเสียงลงรถไฟไปได้ 15% ทั้งยังลดความต้านทานอากาศได้ด้วยจึงทำให้ได้รถไฟสามารถทำความเร็วเพิ่มขึ้นได้อีก 10% อีกด้วย

       ผู้อ่านคิดว่าเราควรให้ความดีความชอบแก่นกคิงฟิชเชอร์ว่า “รถไฟหัวปากนก” กันดีไหมครับ  แต่อย่างไรก็ตามปัญหาของรถไฟชินคังเซนที่ถูกพัฒนาให้มีความเร็วมากขึ้นเรื่อยๆ ยังไม่หมดเพียงเท่านี้  ในบทความตอนต่อไปจะกล่าวถึงนกอีกชนิดหนึ่งที่เป็นแรงบันดาลใจในการแก้ไขปัญหาด้านวิศวกรรม

แหล่งข้อมูลค้นคว้าเพิ่มเติม
1. http://pantip.com/topic/32700405  
2. http://anngle.org/th/news/loshinkannsen.html  
3. http://www.tpa.or.th/jsociety/content.php?act=view&id=225 
4. http://www.slideshare.net/VISH2009/biomimicry-in-mobility-41485586 
5. http://www.quora.com/What-are-the-discoveries-that-are-inspired-by-nature 
6. http://rt-bi.nl/social-responsibility/biomimicry/kingfishers/  
7. http://blogs.bu.edu/biolocomotion/2011/10/03/shinkansen-%E2%80%9Cbullet-trains%E2%80%9D-biomimicry-at-its-best/   
8. http://labs.blogs.com/its_alive_in_the_lab/2012/04/biomimicry-japanese-train.html  
9. http://www.designanduniverse.com/articles/high-speed_trains.php 

<< ย้อนกลับ