สัตว์-ประดิษฐ์ นวัตกรรมชีวลอกเลียนที่พามนุษย์ก้าวไปได้ไกลขึ้น

ในห้วงเวลาที่นวัตกรรมของมนุษย์ดูจะพัฒนาไปจนถึงสุดเพดาน เหล่านักวิทยาศาสตร์จะแสวงหาแรงบันดาลใจจากสิ่งไหน บางคนอาจหันเข้าหาสูตรสมการคณิตศาสตร์เพื่อถอดรหัสหาสิ่งใหม่ที่ยังไม่เคยค้นพบ บางคนอาจพึ่งพาปัญญาประดิษฐ์ประสิทธิภาพสูงที่ไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อย แต่บางคนก็ใช้วิธีสังเกตธรรมชาติรอบกายมาสร้างเป็นแรงบันดาลใจในการพัฒนานวัตกรรม

การพัฒนานวัตกรรมอย่างหลังมีชื่อเฉพาะว่าชีวลอกเลียน (biomimicry) การสังเกตอย่างละเอียดละออต่อสิ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติไม่ว่าจะเป็นพืช แมลงตัวจ้อย หรือสัตว์กลางทะเลลึก ศึกษาและเปลี่ยนผันสู่แรงบันดาลใจจากผลลัพธ์ของวิวัฒนาการและการคัดเลือกตามธรรมชาตินับล้านปี แม้หลายอย่างยากที่จะเลียนแบบอย่างสมบูรณ์ แต่ก็นับเป็นก้าวแรกที่บอกทิศทางการพัฒนา ที่อาจทำให้เราเข้าใกล้ธรรมชาติ สัมผัสความอัศจรรย์ในการรังสรรค์ และรักมันมากขึ้น

บทความชิ้นนี้ จะบอกเล่าแรงบันดาลใจจากสิ่งมีชีวิต 5 ชนิด ตั้งแต่ยุงตัวจิ๋ว จิ้งจก นกกระเต็นและนกฮูก ไปจบที่วาฬ ยักษ์ใหญ่แห่งท้องทะเล โดยสัตว์ทั้ง 5 ชนิดได้กลายเป็นแรงบันดาลใจของนักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งซึ่งพามนุษยชาติก้าวไปได้ไกลกว่าเดิม

จากปากยุงสู่เข็มฉีดยา

ผู้เขียนเชื่อว่าทุกคนเคยถูกยุงกัด น้อยครั้งที่เราจะรู้สึกตัวระหว่างโดนเจ้าตัวจิ๋วสูบเลือดเพราะส่วนมากกว่าจะรู้ตัวอีกที ยุงก็ทิ้งอาการคันและตุ่มแดงเอาไว้ให้นึกแค้นใจเล่นๆ อาการคันดังกล่าวเกิดจากแบคทีเรียของยุงที่ทำให้เลือดไม่แข็งตัวเมื่อโดนกัด แต่นวัตกรรมที่เรามองหาคือความลับของปากขนาดจิ๋วของยุงที่เจาะลงบนผิวหนังมนุษย์โดยแทบไม่มีความรู้สึกเจ็บ

ปาก (proboscis) ของยุงนี่แหละครับที่จะช่วยคลายฝันร้ายของหลายคนที่ต้องถูกของมีคมเจาะลงบนผิวหนัง

เมื่อซูมเข้าไปดูใกล้ๆ ปากของยุงที่ใช้ดูดเลือดนั้นมีความซับซ้อนอย่างยิ่ง โดยเป็นท่อสองอันซ้อนกัน ท่อส่วนนอกที่ทิ่มลงบนผิวหนังมนุษย์นั้นจะมีเขี้ยวจำนวนมากคล้ายฟันเลื่อย เมื่อยุงหาจุดที่เหมาะสมพบแล้วก็จะสั่นหัวด้วยความถี่ราว 15 เฮิรตซ์และเลื่อยเข้าไปในผิวหนังมนุษย์ แล้วจึงสไลด์ท่อสำหรับดูดเลือดที่ซ่อนอยู่ด้านในเข้าไปยังแหล่งอาหารใต้ผิวหนัง

การออกแบบเข็มฉีดยาโดยลอกเลียนการเจาะเข้าสู่ผิวหนังมนุษย์ของยุง ภาพจาก DE INGENIEUR

แม้กระบวนการเลื่อยผ่านผิวหนังจะฟังดูน่าขนลุก แต่ความเป็นจริงแล้วเข็มที่มีปลายคล้ายฟันเลื่อยกลับทำให้การเจาะผ่านผิวหนังแทบไม่รู้สึกเจ็บปวด แรงบันดาลใจดังกล่าวนำไปสู่การพัฒนาเข็มฉีดยาแบบไม่ต้องเจ็บตัวโดยอาจารย์เซย์จิ อาโอยากิ (Seiji Aoyagi) จากมหาวิทยาลัยคันไซ (Kansai University) ในเมืองโอซาก้า ประเทศญี่ปุ่น โดยมีการทดสอบกับกลุ่มตัวอย่างพบว่ามีความเจ็บปวดน้อยกว่าเข็มธรรมดาอย่างมาก

ฝ่าเท้าจิ้งจกกับนวัตกรรมความเหนียว

จิ้งจก สัตว์แสนธรรมดาที่ทุกคนคุ้นตาและอาจเรียกเสียงกรีดร้องของคุณแม่บ้านได้เป็นบางครั้ง เราอาจรู้สึกอัศจรรย์กับเทคนิควิธีหลบหนีโดยการสลัดหางทิ้งให้ดิ้นกระแด่วๆ แล้วงอกใหม่ แต่คุณเคยสงสัยไหมครับว่าทำไมจิ้งจกถึงเคลื่อนที่ไปได้บนผนังแม้กระทั่งเพดานอย่างรวดเร็วโดยไม่หล่นลงมา ทั้งที่ฝ่าเท้าทั้งสี่ของจิ้กจกก็ดูแสนจะธรรมดา ไม่ได้เหนียวหนืดหนุบหนับเหมือนกาวแต่อย่างใด

ความลับในฝ่าเท้าของจิ้งจกถูกเปิดเผยเมื่อเทคโนโลยีของมนุษย์สามารถมองธรรมชาติได้ละเอียดขึ้น เพราะความสามารถในการเกาะของจิ้งจกต้องส่องลึกเข้าไปในระดับนาโนเป็นขนขนาดจิ๋วจำนวนมหาศาลที่สามารถยืดหยุ่นได้ตามใจนึก ความยาวและองศาของมันทำให้ฝ่าเท้าของจิ้งจกและผนังเกิดพันธะทางฟิสิกส์เรียกว่าแรงแวนเดอร์วาลส์ (van der Waals force) โดยอิเล็กตรอนของขนบนฝ่าเท้ากับฝาหนังมีปฏิสัมพันธ์กันจนทำให้จิ้งจกสามารถเกาะบนผนังได้นั่นเอง

แรงบันดาลใจจากธรรมชาตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เปลี่ยนแนวทางการพัฒนาเรื่องความเหนียว เกิดเป็นนวัตกรรมเช่น ผ้าพันแผลทางการแพทย์ที่ไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีมาทดแทนกาวทางการแพทย์ที่ใช้อยู่เดิมซึ่งใช้งานยากและอาจทำให้เกิดการอักเสบ ความเหนียวของจิ้งจกยังถูกนำไปใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรมเพื่อการยึดติด กระทั่งการสร้างอุปกรณ์ปีนป่ายที่เหนียวเพียงพอให้มนุษย์ปีนไปบนกำแพงกระจก

การทดสอบเครื่องมือหยิบจับวัตถุในอวกาศซึ่งได้รับแรงบันดาลใจมาจากจิ้งจก ภาพจาก The Stanford Daily

ความเหนียวของฝ่าเท้าจิ้งจกยังไขปัญหาการหยิบจับวัตถุบนอวกาศ โดยเป็นกุญแจในการแก้ปัญหาระดับโลกเรื่องขยะอวกาศซึ่งที่ผ่านมาเผชิญกับความท้าทายทั้งวัตถุที่ล่องลอยในอวกาศนั้นมีรูปทรงหลากหลาย และในภาวะไร้แรงโน้มถ่วง แรงกระทำเพียงเล็กน้อยก็อาจสร้างแรงกระทำต่อเนื่องจนกลายเป็นปัญหาใหญ่ ซึ่งนาซ่าได้พัฒนา ทดลอง รวมถึงนำไปใช้จริงแล้วในปัจจุบัน

นกกระเต็นและนกฮูกกับรถไฟความเร็วสูง

ผู้เขียนเชื่อว่าหลายคนน่าจะคุ้นหูกับชื่อ ‘ชินคันเซ็น’ รถไฟหัวกระสุนความเร็วสูงของประเทศญี่ปุ่น แต่ทราบไหมครับว่ารถไฟดังกล่าวคงไม่สามารถนำมาใช้ได้จริงเชิงพาณิชย์หากไม่ได้แรงบันดาลใจจากนกกระเต็นและนกฮูก

เมื่อขึ้นชื่อว่าเป็นรถไฟความเร็วสูง สิ่งที่เราคาดหวังย่อมเป็นเรื่องความเร็วและความปลอดภัย แต่ในทางปฏิบัติ ต่อให้รถไฟจะเร็วและปลอดภัยแค่ไหนก็คงไม่สามารถนำมาวิ่งได้หากปล่อยมลภาวะทางเสียงในระดับที่เกินกว่ากฎหมายกำหนด โดยรถไฟชินคันเซ็นรุ่นเก่านั้น จะมีเสียงดังที่สุดขณะออกจากอุโมงค์ซึ่งดังขนาดที่ผู้อยู่อาศัยในบ้านที่ห่างไป 400 เมตรยังได้ยิน

โชคดีที่บริษัทรถไฟญี่ปุ่น (Japan Railway) มีวิศวกรอย่างเอจิ นาคาสึ (Eiji Nakatsu) ซึ่งหลงใหลในการดูนก เขาพบทางบรรเทาปัญหาเส้นทางลมวนคาร์มาน (Karman vortex street) ซึ่งเกิดภายในอุโมงค์และเป็นสาเหตุทำให้เกิดเสียงดัง โดยสังเกตจากชั่วขณะที่นกกระเต็นโผลงไปจับเหยื่อในน้ำอย่างสง่างามและรวดเร็ว รูปทรงของปากนกที่คล้ายเพชรกลายเป็นแรงบันดาลใจให้เขา ‘ลอกเลียน’ เป็นรถไฟหัวกระสุนรุ่นใหม่ที่เอาชนะการออกแบบอื่นๆ ทั้งในแง่ความเงียบและประสิทธิภาพ

ภาพร่างการออกแบบหัวรถไฟรุ่นใหม่โดยได้แรงบันดาลใจมาจากรูปทรงของปากนกกระเต็น ภาพโดยเอจิ นาคาสึ ภาพจาก ZQ2R

นอกจากตัวรถไฟ อีกหนึ่งปัญหาที่ทำให้เกิดเสียงดังคือแหนบรับไฟ (pantograph) ที่เชื่อมระหว่างรถไฟกับสายไฟด้านบน เอจิหาแรงบันดาลใจจากนกล่าเหยื่อที่ความเงียบคือความจำเป็นสำหรับการอยู่รอดอย่างนกฮูก เขาพบว่าปีกนกฮูกจะมีเส้นใย (fimbriae) สำหรับเก็บเสียง ทีมวิศวกรรมนำโดยเอจิได้ออกแบบแหนบรับไฟใหม่ซึ่งคล้ายกับปีกนกซึ่งช่วยแก้ปัญหาไปได้อีกเปลาะหนึ่ง

ในปี พ.ศ. 2541 ชินคันเซ็นรุ่นใหม่ได้เผยโฉมพร้อมกับแหนบรับไฟที่ได้รับการออกแบบใหม่ โดยสามารถวิ่งได้ที่ความเร็ว 320 กิโลเมตรต่อชั่วโมงโดยผ่านเกณฑ์มลภาวะทางเสียงของญี่ปุ่นที่ 70 เดซิเบลได้แบบสบายๆ นอกจากนี้ รถไฟรุ่นใหม่ยังวิ่งได้เร็วขึ้น 10 เปอร์เซ็นต์ และใช้ไฟฟ้าน้อยลงถึง 15 เปอร์เซ็นต์อีกด้วย

วาฬ ฝูงปลา และกังหันพลังงานลม

บนอากาศและในน้ำมีความคล้ายคลึงกันคือเต็มไปด้วยของไหลซึ่งในทางฟิสิกส์สามารถอธิบายด้วยกฎชุดที่ใกล้เคียงกัน ข้อค้นพบและแรงบันดาลใจจากในน้ำจึงสามารถส่งผ่านมาเป็นเทคโนโลยีบนอากาศได้เช่นกัน และครั้งนี้ คือการจับมือกันระหว่างนักชีววิทยาและวิศวกรในการไขปัญหาที่ดูจะขัดกับความเข้าใจดั้งเดิมที่ว่าการดีไซน์นั้นยิ่งสตรีมไลน์ยิ่งเร็ว

แต่เมื่อหันกลับมามองในธรรมชาติ วาฬหลังค่อมซึ่งนับว่าคล่องตัวในน้ำกลับมีครีบที่เป็นตะปุ่มตะป่ำ (tuburcles) สร้างความสงสัยให้กับนักชีววิทยาอย่างแฟรงค์ อี ฟิช (Frank E. Fish) ซึ่งต่อมาพบว่าลักษณะตะปุ่มตะป่ำนั้นเองที่ช่วยชะลอภาวะร่วงหล่น sStall) เพิ่มแรงยก และยังลดแรงต้านปะทะ การศึกษาโดยนักศึกษาปริญญาเอกด้านวิศวกรรมศาสตร์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ยืนยันข้อสังเกตดังกล่าวในภาคทฤษฎีซึ่งให้ผลตรงกับการทดลองเชิงประจักษ์ในอุโมงค์ลม

ใบพัดกังหันลมที่ออกแบบโดยลอกเลียนจากครีบของวาฬหลังค่อม ภาพจาก WhalePower Corporation

แรงบันดาลใจจากวาฬหลังค่อมนำไปสู่การพัฒนาใบพัดกังหันไฟฟ้าพลังงานลมรูปแบบใหม่ ที่ปลายกังหันมีรอยหยักเพื่อพัฒนาประสิทธิภาพ โดยจะสามารถเริ่มทำงานได้ในพื้นที่หรือช่วงเวลาที่ความเร็วลมค่อนข้างต่ำ นอกจากนี้ แนวคิดดังกล่าวยังสามารถนำไปใช้กับนวัตกรรมการบินเพื่อลดความเสี่ยงจากภาวะร่วงหล่น อีกทั้งพัฒนาเรือดำนำให้คล่องตัวขึ้นอีกด้วย

อีกแรงบันดาลใจหนึ่งจากธรรมชาติที่อาจเปลี่ยนหน้าตาของฟาร์มกังหันพลังงานลมไปตลอดกาล คืองานวิจัยเรื่องการเคลื่อนที่ของฝูงปลาโดยคณะวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย (California Institute of Technology) ที่ต้องการแก้ปัญหาการติดตั้งกังหันพลังงานลมที่จำเป็นต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ เนื่องจากหากติดตั้งใกล้กันเกินไปจะเกิดเส้นทางลมวนคาร์มาน (Karman vortex street) จนทำให้ประสิทธิภาพของกังหันลมลดลงอย่างมาก

คำตอบนั้นอยู่ในการรวมตัวเป็นฝูงของปลาขนาดเล็ก ซึ่งหากปลาเหล่านี้ว่ายอยู่เดี่ยวๆ จะเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานอย่างยิ่ง แต่ในทางกลับกัน หากว่ายร่วมกันเป็นฝูง ปลาผู้ตามก็สามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานจลน์ที่ปลาตัวหน้าทะลวงผิวน้ำได้ ซึ่งทำให้การรวมฝูงนั้นมีประสิทธิภาพอย่างยิ่ง

ตัวอย่างกังหันพลังงานลมแนวตั้งซึ่งปัจจุบันกำลังอยู่ในระหว่างการทดสอบเพื่อใช้งานจริง ภาพจาก Grendelkhan

การค้นพบดังกล่าวนำไปสู่การออกแบบกังหันลมใหม่ จากเดิมที่เป็นกังหันที่หมุนแนวนอนเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานลมก็เปลี่ยนสู่การเป็นกังหันลมแนวตั้งซึ่งสามารถวางไว้ใกล้กันได้ โดยให้หมุนไปในทิศทางที่สลับกัน ซึ่งคาดว่าจะทำให้เราสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานลมได้มาขึ้นถึง 10 เท่า

นี่คือ 4 เรื่องเล่าแรงบันดาลใจจากการสังเกตสัตว์ในธรรมชาติที่นำไปสู่การพัฒนานวัตกรรม หลายครั้งที่เรามักทรนงตนว่าเป็นสิ่งมีชีวิตที่ทรงภูมิปัญญาที่สุด แต่ในทางกลับกัน สิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในธรรมชาตินั้นผ่านร้อนผ่านหนาวมายาวนานกว่ามนุษยชาติ ไม่ต่างจากนักปฏิบัติที่เอาตัวรอดมาหลายสถานการณ์จนวิวัฒนาการมาเป็นอย่างที่เราเห็นในปัจจุบัน

คงจะดีกว่าถ้าเราจะหันไปเรียนรู้ธรรมชาติให้มากขึ้น แล้วหาทางที่จะอยู่ร่วมกันได้ในโลกสีครามใบนี้ แทนที่จะใช้ชีวิตอย่างทำลายล้างโดยไม่เคารพผู้ที่อยู่มาก่อน

เอกสารประกอบการเขียน

ยุง

Painless needle mimics a mosquito’s bite

Mosquito inspires near-painless hypodermic needle

Mosquito Bite Helps Create the Ideal Injection Needle

จิ้งจก

Gecko Gripper utilizing NASA-created tech launches commercially

Gecko Toes Inspire New Adhesive

Gecko Feet

Geckos’ Sticky Secret? They Hang by Toe Hairs

นกกระเต็นและนกฮูก

High speed train silently slices through air