Nanosenser

นวัตกรรมเซนเซอร์ขนาดจิ๋ว

เวฬุรีย์ ทองคำ

เนื่องจากเหตุผลสามประการคือ ธุรกิจยานยนต์กำลังมาถึงจุดอิ่มตัว ธุรกิจการพิมพ์ที่กำลังลดลง และอุตสาหกรรมจอภาพ LCD กำลังเดินทางมาถึงขอบสุดของนวัตกรรม ซึ่งล้วนเป็นสาเหตุให้วงการเครื่องกลขนาดจิ๋วกำลังดิ้นรนหาทางออก อย่างไรก็ตามความน่าสนใจเกี่ยวกับตลาดในปัจจุบันไม่ได้เกิดจากการบุกทะลักของเครื่องกลจิ๋วชนิดใหม่ ๆ อย่างแต่ก่อน แต่กลับกลายเป็นการประยุกต์ใช้เครื่องกลเหล่านี้ในแนวทางใหม่ ๆ ต่างหากที่เป็นเรื่องน่าสนใจ หรือยิ่งไปกว่านั้นการพัฒนาขีดความสามารถในการใช้งานไปพร้อม ๆ กับปริมาณการผลิตก็เป็นเรื่องที่น่าจับตามอง

เริ่มกันที่เซนเซอร์สำหรับตรวจวัดความดัน ซึ่งเข้ามามีอิทธิพลต่ออุตสาหกรรมเครื่องกลขนาดจิ๋วในช่วง 30 ปีที่ผ่านมาที่ทำให้เกิดการปฏิวัติทางด้านอุตสาหกรรมยานยนต์ และการวัดความดันเลือด ในปี 2007 เครื่องกลขนาดจิ๋วที่ใช้ตรวจวัดความดัน(เพื่อการใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์เท่านั้น) มีรายได้เกือบ 40 % จากรายได้ของตลาดเครื่องกลจิ๋วทั้งหมด ซึ่งมีมูลค่าถึง 3.2 ล้านเหรียญสหรัฐ แต่สิ่งที่น่าประทับใจและแปลกใหม่ยิ่งกว่านั้นคือ คือการกลับมาทำกำไรในตลาดของเซนเซอร์วัดความดันในแง่การแพทย์ เช่นอุปกรณ์ตรวจวัดการทำงานของหัวใจขนาดจิ๋วที่สามารถฝังในร่างกาย เพื่อตรวจวัดการทำงานของหัวใจซึ่งเป็นเรื่องที่น่าทึ่งอย่างมาก นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ในกลุ่มเดียวกันนี้ยังได้ถูกพัฒนาเพื่อใช้งานอื่น ๆ รวมทั้ง การตรวจและรายงานผลเมื่อความเลือดในร่างกายมีค่าสูง ซึ่งจัดเป็นตลาดขนาดใหญ่ที่มีความสำคัญเป็นอย่างมาก

ประเด็นที่ 2 คือ การใช้งานที่น่าตื่นเต้นแบบใหม่ เช่น เมื่อต้นปีที่ 2008 ที่ผ่านมานั้น มหาวิทยาลัยวอชิงตันได้ประดิษฐ์คอนเทคเลนชนิดใหม่ที่มีการฝังเซนเซอร์ขนาดจิ๋วไว้ภายใน สิ่งประดิษฐ์ที่เหลือเชื่อ และน่าทึ่งนี้มีชื่อว่า ไบโอนิค อาย หรือ ดวงตาชีวอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นคอนเทคเลนส์ที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถใช้งานจริงฝังอยู่ภายใน พัฒนาเพื่อใช้เป็นเซนเซอร์ทางการแพทย์ ที่ประกอบด้วยเซนเซอร์วัดความดัน ระบบประมวลผล และส่วนรับสัญญาณ และคาดว่าเทคโนโลยีนี้จะช่วยผู้ที่มีปัญหาเกี่ยวกับการมองเห็นจำนวนมากได้ในอนาคต

ภาพคอนเทคเลนส์ที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ฝังอยู่ภายใน

อีกความสามารถในการใช้งานที่กำลังอุบัติใหม่ของเซนเซอร์วัดความดันคือ แผ่นแปะทางการแพทย์ ในอดีตวิศวกรคาดไม่ถึงว่าจะประยุกต์เอาเซนเซอร์มาใช้บนพลาสเตอร์ติดแผลได้อย่างไรดี แต่ผลงานจำนวนไม่น้อยในปัจจุบันแสดงให้เห็นถึงพัฒนาการของเซนเซอร์เพื่อการใช้งานประเภทนี้ โดยงานวิจัยชิ้นแรกจาก IMEC เป็นอุปกรณ์ตรวจวัดอัตราการเต้นของหัวใจโดยทำจากผ้า ผสมกับโพลิเมอร์ที่โค้งงอได้ และเชื่อมกันอุปกรณ์ตัววัดซึ่งอุปกรณ์นี้สามารถแนบไปตามส่วนโค้งของร่างกายทำให้ผู้ใส่ไม่รู้สึกอึดอัด และสามารถตรวจวัดการทำงานของหัวใจในชีวิตประจำวันได้ และนวัตกรรมอีกชิ้นคือ อุปกรณ์ที่ถูกพัฒนาให้ใช้พลังงานจากความร้อนที่เกิดขึ้นในร่างกาย และพลังงานจากแสงอาทิตย์ โดยอุณภูมิที่กระจายออกมาบริเวณที่อุปกรณ์แปะอยู่ จะถูกตรวจจับด้วยอุปกรณ์ตรวจวัดอุณหภูมิขนาดจิ๋ว ซึ่งจะทำงานร่วมกับเซลล์แสงอาทิตย์ ส่วนระบบหลักในการเก็บและประมวลผลนั้นมีหน้าตาเหมือนกับ เฮดโฟน ทำหน้าที่บันทึกการทำงานของสมอง ตรวจความสมดุลของสมองทั้งสองซีก และ ตัวความผิดปกติที่เกิดขึ้นกับสมอง

ภาพอุปกรณ์ตรวจวัดการทำงานของหัวใจที่ใช้ได้ง่าย

ภาพอุปกรณ์ตรวจวัดการทำงานของสมอง ส่วนประกอบต่าง ๆ ของ ตัวเครื่อง

บริษัท Toumaz ได้ก้าวลำหน้าไปอีกขั้นด้วยการสร้าง อุปกรณ์ที่เรียกว่า Sensium digital bandage หรือ พลาสเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ โดยพลาสเตอร์นี้สามารถติดตั้งเซนเซอร์ได้ถึง 3 ชนิด (เช่น เซนเซอร์ตรวจวัดน้ำตาลในเลือด เซนเซอร์วัดความดัน เซนเซอร์วัดคลื่นหัวใจ) แม้ว่าจะสามารถตรวจวัดได้ค่าได้เพียง 1 ค่าในแต่ละครั้ง แต่สิ่งที่น่าสนใจเห็นจะเป็นแบตเตอรี่สังกะสีขนาดจิ๋วที่พิมพ์ลงบนแผ่นพลาสเตอร์ซึ่งมีอายุการใช้งานนาน 5 ถึง 7 วัน ซึ่งน่าจะเป็นแบตเตอรี่แบบฟิลม์บางที่มีชื่อเรียกว่า เพาเวอร์ เปเปอร์ (Power paper) แบบเดียวกับที่มีการใช้มาก่อนหน้านี้ในผลิตภัณฑ์แผ่นลบเลือนริ้วรอยของบริษัท เอสเต้ ลอเดอร์

ภาพแสดงส่วนต่าง ๆ ของแผ่นพลาสเตอร์ดิจิตอลจากบริษัท Toumaz

อุปกรณ์ตรวจวัดความเร่งเป็นผลิตภัณฑ์หลักในอุตสหกรรมการผลิตเครื่องกลขนาดจิ๋ว และถูกนำมาใช้เป็นเซนเซอร์สำหรับถุงลมนิรภัยในรถยนต์ ซึ่งกลายเป็นการใช้งานที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไป แต่เพื่อการแพร่ขยายตลาดอุปกรณ์เหล่านี้ให้มากยิ่งขึ้น เซนเซอร์สำหรับถุงลมนิรภัย และเซนเซอร์อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับความเร็ว และความปลอดภัยของรถไปย้ายจากรถยนต์ไปยังสิ่งอื่น ๆ อีกด้วย ตัวอย่างเช่น จักรยานยนต์ และจักรยาน ขณะนี้ได้มีการพัฒนาระบบถุงลมนิรภัยสำหรับมอเตอร์ไซด์ในสนามแข่ง และไม่แน่ว่าระบบอาจถูกพัฒนาให้มีความปลอดภัยแก่ผู้ขับขี่มากยิ่งขึ้น เช่นเดียวกับระบบ D-Tec ที่ถูกนำมาแสดงในสนามแข่งที่อิตาลี และอาจจะถูกจำเข้าสู่ตลาดในปี 2010

ไม่เพียงแต่บริษัทเท่านั้นที่คำนึงถึงความปลอดภัยของสิงห์สนามทั้งหลาย นักศึกษาจากมหาวิทยาลัย แมทซาชูเซส ก็มีการพัฒนาเซนเซอร์สำหรับแรงกระแทกแบบไร้สาย (wireless impact guardian) โดยหมวกกันน็อกของจักรยานจะมีการผังเซนเซอร์ขนาดจิ๋วที่ทำการตรวจวัดแรงกระแทก และระบบ GPS (Global position system)ซึ่งเป็นระบบที่สามารถแสดงตำแน่งที่อยู่ของผู้สวมใส่หมวกกันน็อคเพื่อหน่วยกู้ภัยจะได้ทราบและเข้าทำการช่วยเหลือ เมื่อได้รับแรงกระแทกหมวกกันน็อคจะส่งสัญญาณ เสียงดัง และถ้าหากผู้ใส่ไม่ทำการปิดสัญญาเสียงระบบจะส่งสัญญาณขอความช่วยเหลือ คาดว่าผลิตภัณฑ์นี้จะได้รับการพัฒนาเพื่อใช้สำหรับผู้ขับขี่มอเตอร์ไซด์ รถ ATV แม้กระทั่งผู้ขับขี่รถจักยาน ซึ่งจะส่งผลอย่างมากต่อตลาดขนาดใหญ่ เมื่อเซนเซอร์ประเภทนี้ไม่เพียงแต่ปกป้องร่างกาย และอุบัติเหตุจะจะเกิดขึ้นเท่านั้น แต่รวมถึงการที่ผู้ปกครองจะสามารถติดตามตำแหน่งของเด็ก ๆ ได้อีกด้วย ดังนั้นเป็นไปได้ว่าระบบ GPS อาจไม่ได้จำกัดอยู่เพียงหมวกกันน็อค แต่อาจจะถูกติดตั้งกับชุดนักเรียนอีกด้วย

การดูแลผู้สูงอายุ ตลาดใหม่ของเครื่องกลขนาดจิ๋ว

Gyro sensors ซึ่งเป็นเซนเซอร์ที่ทำหน้าที่ความคุมความเสถียรได้เปิดตลาดและทำกำไรอย่างมากเมื่อหลายปีก่อนโดยใช้เพื่อเพิ่มความปลอดภัยให้รถยนต์ขณะเคลื่อนที่ แต่ปัจจุบันผลกระทบจากการขายรถยนต์ที่ลดลง รวมถึงตลาดที่กำลังจะอิ่มตัว ตลาดผู้สูงอายุดูจะเป็นตลาดใหม่ที่น่าสนใจ การสร้างอุปกรณ์เลียนแบบกระดูกภายนอกร่างกายเป็นเทคโนโลยีที่น่าจะช่วยกระตุ้นตลาดสำหรับผู้สูงอายุ อุปกรณ์ที่มองดูคล้ายกับเกราะหุ้มร่างกายจากภาพยนต์ชื่อดัง ไอรอน แมนของบริษัทฮอนด้า คือเครื่องสำหรับช่วยเหลือผู้ที่ประสบปัญหาในการเดิน แม้จะยังห่างไกลจากเสื้อเกราะอัจฉริยะในภาพยนต์ แต่ฮอนด้าได้ประดิษฐ์ เครื่องช่วยเดินจากเทคโนโลยีที่ใช้ในการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ อาซิโม (ASIMO) โดยอุปกรณ์นี้จะได้รับข้อมูลจากเซนเซอร์ที่ตรวจวัดการเคลื่อนไหวของสะโพก (Gyro sensors) เพื่อช่วยให้ผู้สวมใส่เดินได้สะดวกยิ่งขึ้น และมอเตอร์จะช่วยให้การเคลื่อนไหวของผู้สวมใส่เป็นธรรมชาติมากยิ่งขึ้น ฮอนด้ากล่าวว่าอุปกรณ์ช่วยเดินนี้ได้แรงบันดาลใจมากจากผู้สูงอายุ และผู้ที่มีกล้ามเนื้อขาอ่อนแอ โดยอุปกรณ์ที่ผลิตขึ้นนี้เป็นเพียงอุปกรณ์ต้นแบบ อย่างไรก็ตามฮอนด้าคาดว่าเครื่องช่วยเดินนี้จะกลายเป็นสินค้าในท้องตลาดได้ในเวลาอันใกล้ โดยเฉพาะเมื่อมีหลายบริษัทเริ่มมีงานวิจัยเกี่ยวกับอุปกรณ์ประเภทนี้แล้วเช่นเดียวกัน และอุปกรณ์นี้อาจจะช่วยให้ผู้ป่วยที่เป็นอัมพาตสามารถเดินได้อีกครั้ง ด้วยอัตราส่วนที่เพิ่มขึ้นของผู้สูงอายุในโลก อุปกรณ์ช่วยเหลือการเดินที่ทำให้ผู้สูงอายุสามารถเดินได้อย่างอิสระ น่าจะเป็นตลาดที่มีอนาคตไกล และมีความต้องการสูง

ภาพเครื่องช่วยเดินของบริษัท ฮอนด้า

เครื่องกลขนาดจิ๋วกำลังเปลี่ยนแปลง

เมื่อพูดถึงเกี่ยวกับเฟือง และอุปกรณ์ขนาดจิ๋ว ลองมาดูกันว่ามีนวัตกรรมใหม่ ๆ เกี่ยวกับวัสดุที่จะช่วยเปิดประตูการประยุกต์ใช้งานของ เครื่องกลขนาดจิ๋วให้เติบโตต่อไป มีบริษัทจำนวนไม่มากที่ประสบความสำเร็จในการผลิตสวิทซ์ขนาดจิ๋วเพื่อการค้า มีเหตุผลหลายประการหนึ่งในเหตุผลเหล่านั้นคือวัสดุที่ถูกนำมาใช้ บางที ซิลิคอนอาจจะไม่ใช่คำตอบ เมื่อพลาสติกก็สามารถถูกนำมาใช้ได้

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียวได้พัฒนาฟิลม์บางบนแผ่นพลาสติกที่สามารส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าให้กลับวัตถุที่อยู่ใกล้ได้ โดยไม่ต้องใช้การเชื่อมต่อโดยตรงกับกระแสไฟฟ้า ลองจินตนาการถึงผ้าปูโต๊ะพลาสติกที่มีความสามารถเหมือนกับอุปกรณ์สื่อสารไร้สาย สิ่งที่น่าทึ่งยิ่งกว่านั้นคือความจริงที่ว่าฟิล์มบางหนึ่งชั้นของพลาสติกนี้ประกอบด้วยแถวของสวิทซ์พลาสติกขนาดจิ๋วจำนวนมาก ส่วนชั้นอื่น ๆ ประกอบด้วยสารอินทรีย์ที่เป็นสารต้านทาน และสารกึ่งตัวนำไฟฟ้า ซึ่งใช้เทคนิคการพิมพ์ด้วยหมึกเพื่อให้เกิดเป็นชั้นบาง ๆ ที่ประกอบด้วยอนุภาคโลหะนาโน (ซึ่งทำหน้าที่เป็นทรานซิสเตอร์) ซึ่งเทคนิคเหล่านี้ทำให้เกิดคุณสมบัติที่น่าตื่นเต้น และเป็นจุดเริ่มต้นของความทันสมัยในบรรดาสิ่งประดิษฐ์อิเล็กทรอนิกส์ไร้สาย การสร้างสิ่งประดิษฐ์ฉลาด เซนเซอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ที่ใช้ภายในบ้าน

เมื่อกล่าวถึงอนุภาคนาโนราวกับว่าอนุภาคเหล่านี้เปรียบเสมือนสิ่งสำคัญในปี 2008 เมื่อมีการนำเอาอนุภาคนาโนหลายชนิดมาทดลองใช้ในการถ่ายภาพด้วยสนามแม่เหล็ก (MRI) โดยข้อดีของการใช้อนุภาคเหล่านี้คือทำให้แพทย์สามารถมองเห็นอวัยวะที่ไม่สามารถมองเห็นได้มาก่อน อย่างไรก็ตามเครื่องกลขนาดจิ๋วก็คงจะอยู่ในหนึ่งรายการที่อนุภาคนาโนจะเข้าไปมีเอี่ยวด้วยอย่างแน่นอน

หนึ่งในเครื่องกลขนาดจิ๋วที่กำลังอออกมาใหม่ ๆ นั้นน่าสนใจอยู่ไม่น้อยเลยทีเดียว โดยนักวิจัยที่ NIST จากประเทศสหรัฐอเมริกาได้ประดิษฐ์เครื่องกลขนาดจิ๋วที่เป็นแม่เหล็ก โดยมีรูปร่างเป็นท่อซึ่งสามารถสร้างสัญญาณคลื่นวิทยุได้ (RF signal) และสามารถสร้างภาพง่าย ๆ ได้โดยการให้น้ำเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้าง หรือเคลื่อนที่รอบโครงสร้างแม่เหล็กขนาดจิ๋วเหล่านั้น ที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้นคือการที่สัญญานแม่เหล็ก สามารถเปลี่ยนเป็นสัญญานสีได้ สำหรับโครงสร้างของเครื่องกลแม่เหล็กจิ๋วนี้ประกอบด้วยแผ่นแม่เหล็กขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับไมโครเมตรสองแผ่นเรียงกันในแนวตั้ง และแยกจากกันด้วยช่องว่างของอากาศ สนามแม่เหล็กของแผ่นแม่เหล็กขนาดจิ๋วนี้สามารถปรับเปลี่ยนได้ โดยการปรับเปลี่ยนวัสดุ หรือการปรับระยะห่างระหว่างแผ่นแม่เหล็ก รวมถึงการเปลี่ยนความหนา และเส้นผ่านศูนย์กลางของแม่เหล็กอีกด้วย

จากเทคโนโลยีการเปลี่ยนสี กลับมาที่การพิมพ์แบบอิงค์เจ็ทที่กำลังหาทางรอดในตลาดอิเล็กทรอนิกส์ ข่าวใหม่ในวงการอุตสาหกรรมเครื่องกลขนาดจิ๋ว ตั้งแต่เทคนิคการพิมพ์ แบบอิงค์เจ็ท ได้มีบทบาทสำคัญในหน้าประวัติศาสตร์ ตอนนี้บริษัท มาซูชิตะ และ พรอคเตอร์ แอนด์ แกรมเบิล ได้พัฒนอุปกรณ์การพ่นด้วยไฟฟ้าสถิต(electrostatic spraying device) โดยนำมาใช้ในพ่นสีเครื่องสำอางลงบนใบหน้า ลองคิดภาพตลับขนาดเล็กที่สามารถเติมน้ำสีของเครื่องสำอาง เช่น รองพื้น อายชาโดว์ หรือลิปกลอสลงไปได้ จากนั้นนำไปใส่ลงในเครื่องปริ๊นขนาดจิ๋วที่มีขนาดใกล้เคียงกับโทรศัพท์มือถือ ซึ่งสามารถที่จะพ่นสีเครื่องสำอางลงบนใบหน้าได้ ด้วยการทำงานที่คล้ายคลึงกับพู่กัน ที่นักแต่งหน้ามืออาชีพใช้งาน โดยให้ผลลัพท์ที่น่าทึ่งแม้ว่าจากการประเมินเบื้องต้นอาจจะยังมีข้อจำกัดราคาสูง แต่ตลับที่สามารถเปลี่ยนได้นั้นมีราคาที่ไม่แพง ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะขายได้ถึงหนึ่งร้อยล้านชิ้น ซึ่งกลุ่มเป้าหมายคงจะหนีไม่พ้นธุรกิจแฟชั่น และกลุ่มผู้บริโภคที่ชอบความทันสมัย และการขยายตลาดการพิมพ์แบบอิงค์เจ็ท จะมีส่วนช่วยทำให้ตลาดเครื่องกลขนาดจิ๋วประสบความสำเร็จในคราวเดียวกัน

เครื่องกลขนาดจิ๋วกำลังมองหาจุดแข็งสำหรับการแข่งขันในตลาด
สำหรับการใช้เครื่องกลขนาดจิ๋วในโทรศัพท์มือถืออาจจะดูเป็นไปได้ยาก เมื่อคิดถึงความจริงที่ว่าความสามารถใช้งานใหม่ๆ อาจจะยังไม่เพียงพอ และเซนเซอร์ในโทรศัพท์มือถือยังดูเป็นการสิ้นเปลืองที่ไม่จำเป็น แต่เมื่อปีที่ผ่านมาการใช้งานของเครื่องกลขนาดจิ๋วในโทรศัพท์มือถือได้ร่วมมือการใช้ ซอฟท์แวร์ฟรี และการใช้งานอื่น ๆ ซึ่งกระตุ้นให้ตลาดมีความหวือหวามากยิ่งขึ้น
ขณะนี้โทรศัพท์มือถือรุ่นใหม่ได้มีการรวมเอาเซนเซอร์เป็นอุปกรณ์ภายในเอาไว้ด้วย เช่นเซนเซอร์ตรวจวัดอุณหภูมิ แม้อาจจะยังไม่สามารถพูดได้เต็มปากเต็มคำว่า โทรศัพท์มือถือจะช่วยทำให้ตลาดเครื่องกลขนาดจิ๋วเกิดการขยายตัว แต่การพัฒนาซอฟท์แวร์ ร่วมกับอุปกรณ์มือถือตัวอย่างเช่น บริษัทแอปเปิ้ลที่สามารถทำกำไรได้มากมายจากเซนเซอร์ ได้แสดงให้เห็นว่าอนาคตของเครื่องกลขนาดจิ๋วนั้นถูกขับเคลื่อนด้วยความคิดสร้างสรรค์ การพัฒนาการใช้งานแบบใหม่ ๆ และกลไกแข่งขันของตลาดในอนาคต

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
- http://dsc/discovery.com
- http://scoemce/nasa.gov
- http://www.smalltimes.com