เผยความลับของ หมัดพิฆาตที่เร็วที่สุดในโลก สู่การพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุให้มีความแข็งแกร่งมากยิ่งขึ้น งานวิจัยฝีมือคนไทย ในวารสารระดับโลก ปัทมา โคตจันทา นักวิจัยด้านวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

• Line

กั้งตั๊กแตนเจ็ดสี (Mantis Shrimp) ถือเป็นสิ่งมีชีวิตที่จู่โจมคู่ต่อสู้ได้เร็วที่สุดในโลก มีปลายขาคู่หน้าซึ่งมีลักษณะกลมมนคล้ายกำปั้นหรือนวมชกมวย ซึ่งกำปั้นนี้สามารถชกทะลุทะลวงเปลือกหนาๆของเหยื่ออย่างหอยหรือปู ให้แตกหักพังทลาย ถึงตายได้ในหมัดเดียว

ความรวดเร็วในการออกหมัดของมันสามารถสร้างความเร่งได้เทียบเท่ากับกระสุนที่ออกจากปากกระบอกปืนและมีความเร็วสูงถึง 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง สร้างแรงชกได้มากกว่า 152.9 กิโลกรัมแรง (1,500 นิวตัน) ในขณะที่น้ำหนักตัวโดยเฉลี่ยของมันนั้นเพียงแค่ 0.68 กิโลกรัมเท่านั้นเอง

ทั้ง ๆ ที่มันออกหมัดได้อย่างรุนแรงถึงขนาดนั้น แต่กำปั้น หรือร่างกายของมันกลับไม่ได้รับความเสียหายเลยแม้แต่น้อย ซึ่งนี่ถือเป็นความลับที่น่าอัศจรรย์ ที่จุดประกายสร้างแรงบันดาลใจให้แก่นักวิทยาศาสตร์ไขความลับที่อยู่เบื้องหลังกำปั้นหรืออาวุธประจำกายของมัน

พวกเขาใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็คตรอนสแกนวิเคราะห์โครงสร้างหน้าตัดกำปั้นของมัน และค้นพบว่ามีโครงสร้างชั้นนอกเป็นผลึกแคลเซียมที่ให้ทั้งความแข็งและความทนทาน มีโครงสร้างชั้นในเป็นเนื้อสารอินทรีย์ลักษณะเป็นชั้นๆ

โดยแต่ละชั้นก่อรูปขึ้นจากกลุ่มเส้นใยโปรตีนเรียงตัวในทิศเดียวกัน (Unidirectional) หรือขนานกันเป็นแพ นอกจากนั้นแล้ว เแต่ละชั้นยังวางตัวซ้อนทับกันโดยมีมุมไขว้ (Interply angle) ค่าหนึ่ง กล่าวได้อีกทางหนึ่งว่ามุมไขว้มาจากการบิดทำมุมกันระหว่างชั้นสองชั้นที่อยู่ติดกัน

สุดท้ายการวางซ้อนทับกันไปของแต่ละชั้นด้วยมุมไขว้ดังกล่าว ได้สร้างสัณฐานเกลียวหมุน (Helicoid) วนสะสมครบรอบ180° ให้ทำหน้าที่ดูดซับและกระจายแรงกระแทกเมื่อชกคู่ต่อสู้

ด้วยเหตุนี้เองร่างกายของกั้งตั๊กแตนเจ็ดสีจึงไม่ได้รับความเสียหาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งกำปั้นของมันยังคงทนเมื่อชกเหยื่อด้วยแรงกระแทกมหาศาล

ภายหลังจากการค้นพบโครงสร้างเกลียวหมุนของชั้นแพเส้นใยโปรตีนในกำปั้นของกั้งตั๊กแตนเจ็ดสี ได้มีงานวิจัยอีกจำนวนมากที่บูรณาการโครงสร้างดังกล่าวเข้ากับวัสดุคอมโพสิต (Composites) หรือวัสดุเสริมใยอย่างเช่น พลาสติกเสริมใยคาร์บอน (Carbon Fiber Reinforced Polymer – CFRP)

ด้วยความโดดเด่นของวัสดุชนิดนี้คือให้ความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา มันจึงถูกนำมาใช้สร้างชิ้นส่วนยานยนต์ ยานดำน้ำ เครื่องบินและยานอวกาศ เมื่อต้องการขึ้นรูปก็ทำได้โดยการวางแผ่น CFRP ซึ่งมีเส้นใยเรียงตัวทิศทางเดียวกัน ไขว้ซ้อนทับกันเป็นชั้นๆ หรือลามิเนต (Laminate) บนแม่พิมพ์

ด้วยกระบวนการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตเช่นนี้ ทำให้เหล่านักวิศวกรรมวัสดุสามารถใช้ประโยชน์จากโครงสร้างทางชีววิทยาของกำปั้นกั้งตั๊กแตนเจ็ดสีเพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงให้กับวัสดุคอมโพสิตอย่าง CFRP

และแล้วทุกงานวิจัยในแขนงนี้ให้ผลออกมาในทิศทางเดียวกันว่า วัสดุคอมโพสิตที่ขึ้นรูปโดยการเลียนแบบโครงสร้างเกลียวหมุนฯ สามารถทนต่อการแตกหักได้ดีกว่าการขึ้นรูปโดยใช้มุมไขว้ระหว่างชั้นที่แพร่หลายในเชิงพานิชย์อย่าง 45° (Quasi-isotropic) และ 90° (Cross-ply)

งานวิจัยในแขนงนี้จำนวนไม่น้อยได้ทำการศึกษาโดยสุ่มใช้มุมไขว้ค่าต่างๆเพื่อสร้างสัณฐานเกลียวหมุนให้กับโครงสร้างของวัสดุคอมโพสิต และมีผลสรุปออกมาว่าต้องใช้มุมไขว้ที่เหมาะสมค่าหนึ่งที่สัมพันธ์กันกับจำนวนชั้นเพื่อประสิทธิผลสูงสุดในการทนต่อการแตกหัก

อย่างไรก็ตามงานวิจัยที่มีอยู่ในปัจจุบัน ยังไม่อาจทำให้การบูรณาการโครงสร้างเกลียวหมุนฯ กับวัสดุคอมโพสิตเป็นไปได้ในทางปฏิบัติ เพราะยังขาดทฤษฎีการคำนวณและวิเคราะห์ตัวแปรที่สำคัญต่อการออกแบบ เช่น มุมไขว้ระหว่างชั้นที่เหมาะสม จำนวนชั้นของโครงสร้าง และค่าความโค้ง

เนื่องด้วยวัสดุคอมโพสิตที่ขึ้นรูปทรงแบบแบนเรียบและแบบโค้งต่างก็มีคุณสมบัติเชิงกลที่แตกต่างกัน เช่น การกระจายความเค้นและความไวต่อการโก่ง

โครงสร้างทางชีววิทยาของกำปั้นกั้งตั๊กแตนเจ็ดสีกับประเด็นปัญหาการออกแบบวัสดุคอมโพสิตที่ยังไม่เคยมีใครเคยไขคำตอบได้อย่างสมบูรณ์แบบมาก่อน นำมาสู่แรงบันดาลใจให้ผู้เขียนทำการศึกษาวิจัยภายเรื่อง “Optimal interply angle of bio-inspired composite curved panels with helicoidal fiber architecture (การพัฒนาความแข็งแรงของวัสดุคอมโพสิตลามิเนตด้วยการเลียนแบบโครงสร้างทางชีววิทยาในแขนของกั้ง)”

ผู้เขียนและนักวิจัยร่วมได้ประดิษฐ์เครื่องมือที่ใช้ในการออกแบบ นั่นก็คือสมการกลศาสตร์ประยุกต์ซึ่งเข้ามาเติมเต็มช่องว่างทางการศึกษาค้นคว้าในแขนงนี้อย่างครอบคลุมทุกตัวแปรที่เกี่ยวเนื่องกันสำหรับการออกแบบโครงสร้างเกลียวหมุนฯในวัสดุคอมโพสิต

ตัวแปรดังกล่าวประกอบไปด้วย  มุมไขว้ค่าที่เหมาะสม จำนวนชั้น ค่าความโค้งและสมบัติเชิงกลต่างๆของวัสดุคอมโพสิต นอกจากนั้นพวกเราได้บูรณาการสมการกลศาสตร์ประยุกต์ที่คิดค้นขึ้นออกมาในรูปแบบโปรแกรมช่วยวิเคราะห์และพยากรณ์ตำแหน่งที่มีการพังแบบแยกชั้น (Delamination) สำหรับวัสดุคอมโพสิตที่มีโครงสร้างเกลียวหมุนฯ

โปรแกรมช่วยวิเคราะห์และพยากรณ์นี้ทำให้ผู้เขียนและนักวิจัยร่วมได้ค้นพบสาเหตุที่ธรรมชาติสร้างให้แผ่นของกลุ่มเส้นใยโปรตีนในโครงสร้างของกำปั้นกั้งตั๊กแตนเจ็ดสีวางตัวซ้อนกันเป็นเกลียวหมุนสะสมครบรอบ 180° เพราะในขณะที่รับแรงกระแทก

โครงสร้างเช่นนี้ช่วยการกระจายความเค้นอย่างสมมาตรตลอดทั้งความหนาของกำปั้น จึงทำให้ทุกชั้นสามารถต้านทานแรงกระแทกได้อย่างมีดุลภาพ สม่ำเสมอและดูดซับแรงกระแทกได้ทรงประสิทธิผลสูงสุด

ในทางกลับกัน หากโครงสร้างเกลียวหมุนฯสะสมไม่ครบรอบ 180° ทำให้การกระจายความเค้นปราศจากสมมาตร เป็นผลให้ชั้นใดชั้นหนึ่งมีขนาดของค่าความเค้นสูงโดดขึ้นมา ซึ่งชั้นดังกล่าวคือตำแหน่งที่จุดชนวนการพังแบบแยกชั้นให้แก่โครงสร้างเกลียวหมุนฯ

นอกจากนั้นแล้วพวกเรายังค้นพบสืบต่อไปอีกว่า แต่เดิมที่โครงสร้างเกลียวหมุนสะสมครบรอบ180°ได้ให้ประสิทธิผลสูงสุดในการต้านทานการแตกหัก ทว่าหากรูปทรงมีความโค้งเพิ่มสูงขึ้น จะยิ่งทำให้โครงสร้างเกลียวหมุนนั้นเปลี่ยนไปหมุนสะสมครบรอบ360°แทน

ทั้งนี้พวกเราได้พิสูจน์ความถูกต้องและความสมบูรณ์แบบของการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีทั้งหมด โดยมีผลจากการทดสอบจากห้องปฏิบัติการอันเป็นไปตามผลการวิเคราะห์เชิงทฤษฎี

และผลลัพธ์ของงานวิจัยชิ้นนี้ จะช่วยให้เกิดการพัฒนาองค์ความรู้ด้านวัสดุวิศวกรรม จากภาคทฤษฏีนำลงไปสู่ภาคปฏิบัติ เพื่อเพิ่มพูนความแข็งแรงทนทาน ให้แก่ชิ้นส่วนวัสดุ ทั้งในเชิงพาณิชย์ และอุตสาหกรรมได้มากขึ้น เช่นการพัฒนาชิ้นส่วนยานยนต์ อากาศยาน เรือดำน้ำ และยานอวกาศได้ในอนาคต

สำหรับงานวิจัยฉบับนี้นั้น เป็นส่วนหนึ่งของงานวิจัยของห้องปฏิบัติการวัสดุและโครงสร้างชั้นสูงของภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และอยู่ภายใต้การให้คำปรึกษาของ รศ.ดร.สนติพีร์ เอมมณี อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และผู้เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมวัสดุ

เขียนโดย: ปัทมา โคตจันทา นักวิจัยด้านวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

ที่ปรึกษา: รศ.ดร.สนติพีร์ เอมมณี อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

สำหรับบทความงานวิจัย สามารถอ่านฉบับสมบูรณ์ได้ที่ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822324003970?dgcid=author