Programmable Matter คืออะไร ? จะเกิดอะไรขึ้นถ้า สสารสามารถโปรแกรมได้ ?

Programmable Matter คืออะไร ?
จะเกิดอะไรขึ้นถ้า สสารที่สามารถโปรแกรมได้ ?

ทุกคนลองคิดตามไปพร้อม ๆ กันว่าถ้าหาก วัตถุรอบตัวสามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่าง, สี หรือแม้แต่คุณสมบัติทางกายภาพได้ตามต้องการ ตัวอย่างง่าย ๆ เช่น โต๊ะทำงานที่เปลี่ยนรูปแบบเองให้เหมาะกับงานที่เราทำ, รถยนต์ที่ซ่อมตัวเองได้ หรือเสื้อผ้าที่ปรับอุณหภูมิให้เหมาะกับสภาพอากาศ ทั้งหมดนี้อาจเป็นไปได้ด้วยแนวคิดที่เรียกว่า "Programmable Matter" หรือ "สสารที่สามารถโปรแกรมได้"

Programmable Matter เป็นเทคโนโลยีที่นำหลักการของนาโนเทคโนโลยี, วิทยาการคอมพิวเตอร์ และวัสดุศาสตร์มาผสมรวมกัน เพื่อสร้างวัตถุที่สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติได้ตามที่กำหนด ในบทความนี้ จะพาทุกคนไปสำรวจแนวคิดของ Programmable Matter ว่าคืออะไร ?, ทำงานอย่างไร ? และจะส่งผลต่อโลกอนาคตอย่างไรบ้าง ? พร้อมตัวอย่างจริงของเทคโนโลยีนี้ที่เริ่มถูกพัฒนาแล้ว ...

สสารที่สามารถโปรแกรมได้ คืออะไร ? (What is Programmable Matter ?)

เรามาดูความหมายของ "Programmable Matter" ซึ่งก็คือ วัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่าง, สี หรือ คุณสมบัติทางกายภาพ ไม่ว่าจะเป็นขนาด หรือสถานะ ได้ตามต้องการ โดยใช้การตอบสนองต่อสัญญาณภายนอก เช่น ความร้อน, แสงไฟ, กระแสไฟฟ้า หรือ สนามแม่เหล็ก เป็นต้น

ภาพจาก : https://germandesigngraduates.com/programmable-matter/?lang=en#gallery-2

ทุกคนลองนึกภาพถ้าหากเทคโนโลยีนี้เป็นรูปร่างมากขึ้น แล้วเกิดเก้าอี้ที่สามารถเปลี่ยนเป็นโต๊ะได้เพียงแค่กดปุ่ม หรือเสื้อผ้าที่ปรับขนาดเองให้พอดีกับผู้สวมใส่ได้ ด้วยความก้าวหน้าของ นาโนเทคโนโลยี, วัสดุอัจฉริยะ และการพิมพ์ 3 มิติ (3D) และ 4 มิติ (4D) ทำให้เทคโนโลยีนี้กำลังค่อย ๆ เป็นจริง ซึ่งทาง NASA เองก็กำลังพัฒนาโครงสร้างยานอวกาศแบบใหม่ที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ ซึ่งเป็นการนำเอา Programmable Matter มาใช้ได้อย่างน่าสนใจเลย

หลักการทำงานของ สสารที่สามารถโปรแกรมได้ (How does Programmable Matter work ?)

ในส่วนของหลักการทำงานนั้น Programmable Matter เองสามารถเปลี่ยนแปลง รูปร่าง หรือคุณสมบัติทางกายภาพได้โดยตอบสนองต่อสัญญาณภายนอกตามที่ได้กล่าวไปในหัวข้อที่แล้ว หลักการทำงานของมันอาศัยเทคโนโลยี และวัสดุอัจฉริยะ (Smart material) ที่สามารถควบคุม และปรับเปลี่ยนได้อย่างแม่นยำ แบ่งออกเป็น 3 ขั้นตอนหลักได้ดังนี้

1. รับรู้สัญญาณ (Sensing External Stimuli)

วัสดุจะถูกฝังด้วยเซนเซอร์ หรือสารที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมรอบ ๆ  เช่น อาจมีเซนเซอร์อุณหภูมิตรวจจับความร้อน และตอบสนองโดยเปลี่ยนสี หรือขยายตัว และอาจมีวัสดุไวต่อแสง (Photoresponsive Materials) ซึ่งจะเปลี่ยนสี หรือรูปแบบเมื่อสัมผัสกับแสงนั่นเอง

ภาพจาก : https://valentine.me.ucsb.edu/node/306

2. การประมวลผลข้อมูล (Processing Input)

เมื่อวัสดุตรวจจับสัญญาณได้ ระบบภายในจะประมวลผล และคำนวณว่าจะตอบสนองอย่างไร ซึ่งอาจทำผ่าน

• วงจรไฟฟ้า :  สั่งการให้วัสดุเปลี่ยนรูปร่าง หรือสถานะผ่านวงจรไฟฟ้า
• ปฏิกิริยาเคมี : ทำให้วัสดุเกิดการเปลี่ยนแปลงอาจ พอง หรือหดตัว อาจจะเปลี่ยนพื้นผิวก็ได้
• อัลกอริทึม : ใช้เทคโนโลยี ปัญญาประดิษฐ์ (AI) หรือซอฟต์แวร์ ที่จะกำหนดรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของวัสดุ

3. การเปลี่ยนแปลงตามคำสั่ง (Actuating Changes)

เมื่อระบบประมวลผลเสร็จ วัสดุจะปรับเปลี่ยนคุณสมบัติตามที่ได้รับคำสั่ง ซึ่งอาจเกิดขยับ และจัดเรียงตัวใหม่ด้วย โครงสร้างนาโน (Nanostructures) หรือรับสนามแม่เหล็กทำให้วัสดุเปลี่ยนรูปร่างได้ และอีกทางหนึ่งก็คือปฏิกิริยาทางเคมีทำให้วัสดุเปลี่ยนสถานะ เช่น จากของแข็งเป็นของเหลว ได้

ประวัติความเป็นมาของ สสารที่สามารถโปรแกรมได้ (History of Programmable Matter)

ย้อนกลับไปตั้งแต่ช่วงที่ แนวคิด Programmable Matter ถูกเสนอครั้งแรกในปี ค.ศ. 1991 (พ.ศ. 2534) โดย Tommaso Toffoli และ Norman Margolus ซึ่งอธิบายถึงวัสดุที่ประกอบด้วยองค์ประกอบขนาดเล็กที่สามารถคำนวณ และสื่อสารกันได้ในระดับจุลภาค แนวคิดนี้ก็คล้าย ๆ กับ Cellular Automata ซึ่งเป็นระบบการประมวลผลที่อาศัยโครงสร้างแบบตาข่าย (Grid-Based Computing)

ต่อมาในช่วง ทศวรรษที่ 90 มีการศึกษาเกี่ยวกับ หุ่นยนต์โมดูลาร์ (Modular Robotic) ซึ่งเป็นหุ่นยนต์ที่ประกอบจากหน่วยย่อยที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ โดยแนวคิดนี้มีความคล้ายคลึงกับ Programmable Matter เนื่องจากอาศัยการทำงานร่วมกันขององค์ประกอบเล็ก ๆ ในการสร้างโครงสร้างที่ปรับเปลี่ยนได้

ภาพจาก : https://modrobotics.com/wp-content/uploads/2021/04/rwm-cubelets.jpg

เมื่อ เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor Technology), นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology) และ ระบบจำลอง (Simulation Systems) ก้าวหน้าขึ้น นิยามของ Programmable Matter จึงเปลี่ยนจากแนวคิดเชิงทฤษฎีไปสู่ วัสดุที่สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพได้จริง ไม่ใช่แค่ในแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์

ต่อมาในปี ค.ศ. 1998 (พ.ศ. 2541) Wil McCarthy และ G. Snyder ได้เสนอแนวคิด Quantum Wellstone ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติได้ตามโปรแกรมที่กำหนด เเละใน ค.ศ. 2002 (พ.ศ. 2545) Seth Goldstein และ Todd Mowry จาก Carnegie Mellon University ได้ร่วมมือกับ Intel เพื่อเริ่มต้นโครงการ Claytronics ซึ่งเป็นการพัฒนาฮาร์ดแวร์ และซอฟต์แวร์เพื่อทำให้ Programmable Matter เป็นจริง

ภาพจาก : https://www.youtube.com/watch?v=-qw0hjeQ0Yw

จากนั้นในปี ค.ศ. 2004 (พ.ศ. 2547) กลุ่มวิจัยของ DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) ได้เริ่มศึกษาความเป็นไปได้ของ Programmable Matter และในปี ค.ศ. 2007 (พ.ศ. 2550) DARPA ได้เปิดโครงการวิจัยอย่างเป็นทางการเพื่อผลักดันเทคโนโลยีนี้ให้ก้าวหน้า

ล่าสุด ตั้งแต่ ค.ศ. 2016 ถึง 2022 (พ.ศ. 2559 ถึง 2565) สถาบัน FEMTO-ST นำโดย Julien Bourgeois และ Benoit Piranda ได้รับทุนสนับสนุนจาก ANR (Agence Nationale de la Recherche) เพื่อสานต่อโครงการ Claytronics ที่ริเริ่มโดย Intel และ Carnegie Mellon University ทำให้ Programmable Matter เข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้นกว่าเดิม

ภาพจาก : https://plus.besancon.fr/tag/technologie/

ปัจจุบัน Programmable Matter ยังคงเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจอย่างมาก โดยมีการพัฒนาไปในหลายทิศทางเลยทีเดียว

เทคโนโลยีเบื้องหลัง สสารที่สามารถโปรแกรมได้ (Technologies Behind Programmable Matter)

Programmable Matter นั้นอาศัยเทคโนโลยี และวัสดุขั้นสูง ที่สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่าง หรือคุณสมบัติได้ตามคำสั่ง ซึ่งวัสดุเหล่านี้จะตอบสนองต่อปัจจัยภายนอก ซึ่งช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่ควบคุมได้ เราลองมาดูตัวอย่างของเทคโนโลยี และ วัสดุเหล่านี้กัน

นาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology)

ใช้การควบคุมวัสดุในระดับอะตอม เช่น คาร์บอนนาโนทิวบ์ ที่ให้ความแข็งแรง และความยืดหยุ่นสูง ช่วยให้วัสดุสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้

ภาพจาก : https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/image-handler/ts/20191220074330/ri/750/src/images/Article_Images/ImageForArticle_5338_1576845809437475.png

เมตาแมทเทียเรียล (Metamaterials)

วัสดุที่ถูกออกแบบให้มีคุณสมบัติที่ไม่มีในธรรมชาติ เช่น อาจเปลี่ยนทิศทางแสงเพื่อสร้างภาพลวงตาว่าล่องหนได้ หรือเปลี่ยนโครงสร้างไปตามพลังงานที่ได้รับ

ภาพจาก : https://multiscalesystems.com/lab-notes/what-are-mechanical-metamaterials/

โลหะจำรูปร่าง (Shape-Memory Alloys - SMAs)

โลหะที่สามารถคืนสู่รูปทรงเดิมได้เมื่อได้รับความร้อน ตัวอย่างเช่น ขดลวดทางการแพทย์ (Stent) ที่ขยายตัวเมื่อเข้าสู่ร่างกาย

ภาพจาก : https://www.medicalnewstoday.com/articles/324222#uses

พอลิเมอร์ตอบสนองต่อสิ่งเร้า (Stimuli-Responsive Polymers)

พลาสติกที่เปลี่ยนสี หรือรูปทรงเมื่อได้รับแสง, อุณหภูมิ หรือค่า pH

อนุภาคคอลลอยด์ (Colloidal Particles)

อนุภาคขนาดเล็กที่สามารถจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างซับซ้อนผ่านสนามแม่เหล็ก หรือไฟฟ้า

ภาพจาก : https://en.wikipedia.org/wiki/Colloid

วัสดุเปลี่ยนสถานะ (Phase-Change Materials - PCMs)

วัสดุที่เปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว หรือกลับกันเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน

ภาพจาก : https://kulkote-inside.com/technical/what-are-pcms

การพิมพ์ 3 มิติ และการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (3D Printing & Additive Manufacturing)

ใช้สร้างโครงสร้างที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างหรือการใช้งานได้ เช่น แขนหุ่นยนต์ที่ปรับรูปแบบตามงานที่ทำ

ภาพจาก : https://www.themanufacturer.com/articles/the-evolution-of-additive-manufacturing-through-3d-printing/

การกระตุ้นด้วยแม่เหล็ก และไฟฟ้า (Magnetic & Electric Actuation)

วัสดุที่เปลี่ยนรูปร่าง หรือคุณสมบัติเมื่อได้รับสนามแม่เหล็กหรือไฟฟ้า

ผลึกเหลว (Liquid Crystals)

เป็นวัสดุที่จัดเรียงตัวใหม่เมื่อได้รับสนามไฟฟ้า ช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสี หรือความโปร่งใส

ภาพจาก : https://www.youtube.com/watch?v=Y6K7h9tbD_s

ปัญญาประดิษฐ์ (AI Integration)

AI ช่วยให้ Programmable Matter ตัดสินใจ และปรับเปลี่ยนได้แบบอัตโนมัติ ตัวอย่างเช่น ตัวถังรถยนต์ที่ปรับรูปทรงให้เหมาะสมกับความเร็วเพื่อลดแรงต้านอากาศ

ประโยชน์ และความท้าทายของ สสารที่สามารถโปรแกรมได้ (Benefits and Challenges of Programmable Matter)

Programmable Matter แม้ว่าจะดูมีศักยภาพด้วยความสามารถที่จะปรับเปลี่ยนคุณสมบัติได้แบบเรียลไทม์ แต่เทคโนโลยีนี้ ก็ยังเผชิญกับข้อจำกัดในหลายด้าน เราลองมาดูกันว่า Programmable Matter นั้นมี ประโยชน์ และความท้าทาย อย่างไรบ้าง

ตัวอย่าง สสารที่สามารถโปรแกรมได้ ในโลกจริง (Real-World Examples of Programmable Matter)

เราลองมาดูการใช้งานที่เด่น ๆ ของ Programmable Matter ในชีวิตจริง ซึ่งดูไม่ไกลตัวเรามากจนเกินไปกัน

1. บ้านอัจฉริยะ และเฟอร์นิเจอร์ที่ปรับเปลี่ยนได้

ในมุมของ สมาร์ทโฮม (Smart Home) วัสดุที่สามารถปรับเปลี่ยนตัวเองได้จะช่วยให้ บ้านตอบสนองต่อการใช้งานของผู้อยู่อาศัยได้อย่างดี ด้วยเฟอร์นิเจอร์ และอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่สามารถ ปรับรูปร่าง ฟังก์ชัน และการใช้งานได้อัตโนมัติ

ตัวอย่างง่าย ๆ เช่น หน้าต่างที่ปรับความโปร่งแสงได้อัตโนมัติด้วย วัสดุเปลี่ยนสถานะ (Phase-Change Materials) ผ่านการให้กระแสไฟฟ้าทำให้หน้าต่างสามารถเปลี่ยนจากโปร่งใสเป็นทึบแสงได้

ภาพจาก : https://www.tintingchicago.com/smart-tint/

2. แฟชั่น และเสื้อผ้าอัจฉริยะ

วงการแฟชั่นเองก็กำลังเปลี่ยนแปลงด้วย วัสดุอัจฉริยะที่สามารถปรับสี, ขนาด และคุณสมบัติของเสื้อผ้าได้ตามสภาพแวดล้อม และความต้องการของผู้สวมใส่ ทำให้เสื้อผ้ากลายเป็นมากกว่าสิ่งที่ใช้สวมใส่ ตัวอย่างเช่น รองเท้าที่ปรับขนาดเองได้ ซึ่งสามารถขยาย หรือหดตัวให้พอดีกับเท้าของผู้ใส่ ลดปัญหารองเท้าคับหลวม

ภาพจาก : https://imageio.forbes.com/blogs-images/timnewcomb/files/2019/01/Sp19_BB_Nike_Adapt_20181218_NIKE0538_Detail5_original-1200x900.jpg?format=jpg&width=1440

3. ยานยนต์ และการบินอวกาศ

เราลองมาดูตัวอย่างที่ซับซ้อนขึ้น ใช้ในอุตสาหกรรมที่ต้องการใช้ประโยชน์จากความสามารถของมันอย่างเต็มที่ ตัวอย่างเช่น ตัวถังรถที่เปลี่ยนรูปทรงได้ตามสภาพอากาศ และความเร็ว หรือแผงหน้ารถ และเบาะที่สามารถเปลี่ยนตำแหน่ง และขนาดเพื่อให้เหมาะกับผู้ขับขี่แต่ละคน

และการใช้งานที่สูงขึ้นเช่น NASA ที่กำลังพัฒนาวัสดุที่สามารถซ่อมตัวเองได้ เพื่อช่วยให้ยานอวกาศสามารถรับมือกับรอยแตกร้าวจากอุกกาบาตขนาดเล็กในอวกาศได้นั่นเอง

ภาพจาก : https://link.springer.com/article/10.1007/s12567-021-00365-5/figures/5

บทสรุปเกี่ยวกับ สสารที่สามารถโปรแกรมได้ (Programmable Matter Conclusion)

ท้ายที่สุด Programmable Matter นั้นเป็นเทคโนโลยีล้ำสมัยที่สามารถ เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพได้ตามสัญญาณภายนอก ทำให้มีศักยภาพในการปฏิวัติอุตสาหกรรมต่าง ๆ แม้ว่าจะมีความท้าทายที่ยังคงเป็นอุปสรรค แต่ความก้าวหน้าใน นาโนเทคโนโลยีและปัญญาประดิษฐ์ (AI) กำลังช่วยผลักดันให้เทคโนโลยีนี้เข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น เมื่อ Programmable Matter พัฒนาต่อไป มันจะช่วยสร้างโลกที่ฉลาด และปรับตัวได้ดีขึ้นอย่างแน่นอน