ลักษณะของกล้ามเนื้อจำลอง

“กล้ามเนื้อจำลองทำงานด้วยแรงลม (pneumatic artificial muscle) เมื่อปั๊มได้รับสัญญาณให้ทำงานก็จะปั๊มลมด้วยความดันลมที่เหมาะสมให้แก่กล้ามเนื้อจำลองที่อยู่บริเวณต้นขาด้านหน้าและหลัง เมื่อเวลาที่กล้ามเนื้อจำลองถูกเติมลม เส้นกล้ามเนื้อจำลองจะมีความยาวลดลง ขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นจากการพองตัว”

“ความยาวที่ลดลงและเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้นนี้จะทำให้เกิดผลตามมา 2 อย่างคือ หนึ่ง-จากการหดตัวของกล้ามเนื้อจำลองในแนวยาว เส้นกล้ามเนื้อจำลองจึงไปดึงเนื้อผ้าและผ้ายืดบริเวณก้น สะโพก และสะบัก ซึ่งจะดึงรั้งทั้งชุดให้กระชับขึ้น สอง-เกิดแรงกดบริเวณผิวหนังที่ต้นขาด้านหน้าเบาๆ เป็นการกระตุ้นกล้ามเนื้อบริเวณนั้นให้ทำงาน”

ดร.วรวริศ ยกตัวอย่างว่า “สมมุติจากท่านั่งกำลังจะลุกขึ้นยืน เส้นกล้ามเนื้อจำลองจะหดตัวทำให้เกิดแรงดีดเบาๆ ช่วยให้กล้ามเนื้อบริเวณก้น สะโพก และต้นขายืดตัวง่ายขึ้นและอย่างเป็นธรรมชาติ ผู้สวมใส่จึงลุกได้ง่ายขึ้น กล้ามเนื้อบริเวณหลังก็เช่นกัน ในท่ากำลังจะยืน ในจังหวะที่กำลังยืดตัวขึ้น กล้ามเนื้อจำลองบริเวณหลังจะหดตัวแล้วดึงบริเวณอื่นๆ ให้ตึงขึ้น เพื่อช่วยการทำงานของกล้ามเนื้อหลังให้ยืดตัวตรงได้ง่ายขึ้น”

“กล้ามเนื้อจำลองแบ่งเป็น 2 ส่วน โดยส่วนแรกเป็นกล้ามเนื้อจำลองแบบแอกทีฟ (active) ที่ต้องมีสัญญาณกระตุ้นเพื่อให้มีการเติมลมเข้าไป และส่วนที่สองเป็นกล้ามเนื้อจำลองแบบแพสซีฟ (passive) ในที่นี้คือยางยืด ซึ่งกล้ามเนื้อจำลองแบบแพสซีฟนี้ ไม่จำเป็นต้องมีสัญญาณใดๆ ไปกระตุ้น เพราะกล้ามเนื้อจำลองที่ทำงานด้วยแรงลมจะไปช่วยเพิ่มพลังงานศักย์ให้แก่กล้ามเนื้อแบบจำลองแพสซีฟหรือยางยืด โดยยางยืดถูกดึงให้ยืดมากขึ้น ส่วนที่พองก็ทำให้เกิดแรงกดบนผิวหนังบริเวณที่มีกล้ามเนื้อ”

“ในการออกแบบชุด ท่าที่ใช้ศึกษาคือจากท่านั่งเป็นท่ายืน (sit-to-stand) เซ็นเซอร์จะบอกจังหวะว่าตอนนี้กำลังนั่ง เส้นกล้ามเนื้อจำลองจะไม่มีอากาศเข้าไปก็จะไม่พองตัว แต่เมื่อเซ็นเซอร์ตรวจจับได้ว่าผู้สวมใส่กำลังโน้มตัวไปข้างหน้าเพื่อลุกขึ้นยืน ระบบที่มีการประมวลผลด้วยโปรเซสเซอร์ก็จะส่งสัญญาณให้ปั๊มใส่อากาศเข้าไปในเส้นกล้ามเนื้อจำลองทำให้เกิดการพองตัว และเมื่อยืนได้สำเร็จก็จะปล่อยลมออก ส่วนท่าอื่นๆ เช่น ท่าเดิน ถ้ามีความเหมาะสมกับร่างกายของผู้สวมใส่ก็อาจจะพองลมไว้ตลอด” ดร.วรวริศ ขยายความ

เทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ หรือ AI สำคัญอย่างไร?

ดร.วรวริศ เล่าว่า “ทีมวิจัยพัฒนาชุดเรเชลโดยใช้เทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ เพราะตั้งใจให้มีโปรเซสเซอร์หรือระบบประมวลผลที่สามารถแจ้งเตือนในกรณีที่ผู้สวมใส่เสี่ยงต่อการหกล้ม โดยใช้ข้อมูลที่เคยเก็บมาก่อนให้ระบบเรียนรู้ ซึ่งจะช่วยได้ระดับหนึ่งแต่ยังไม่เฉพาะเจาะจงกับผู้สวมใส่ ทีมจึงมีความต้องการให้ระบบเรียนรู้พฤติกรรมของผู้สวมใส่ต่อไปเรื่อยๆ เช่น ถ้าผู้ใส่มีพฤติกรรมที่เสี่ยงต่อการหกล้ม อย่างเวลาก้มเก็บของแล้วยื่นศีรษะไปข้างหน้ามากเกินไป ระบบประมวลผลจะต้องแจ้งเตือน หรือผู้สูงอายุลุกไม่ขึ้นบ่อยครั้ง ระบบก็จะเรียนรู้ว่าคนนี้มีกล้ามเนื้อขาที่อ่อนแรง ดังนั้น ระบบก็จะปรับให้มีแรงมากขึ้น ซึ่งก็จะเหมาะกับแต่ละบุคคลมากยิ่งขึ้น”

ชุดเรเชลช่วยผ่อนภาระของกล้ามเนื้อได้จริงหรือ?

ในการพิสูจน์ประสิทธิภาพการทำงานของชุดเรเชล ดร.วรวริศ เล่าว่า “ทีมวิจัยใช้วิธีการตรวจคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ (electromyography, EMG) เพื่อดูสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดจากการทำงานของกล้ามเนื้อของผู้สูงอายุอาสาสมัครประมาณ 10 กว่าคน โดยสวมชุดและไม่สวมชุดเรเชลและทำท่าทางต่างๆ ที่คล้ายคลึงกับกิจกรรมที่ผู้สูงอายุมักจะทำในชีวิตประจำวัน เพื่อเปรียบเทียบว่าเมื่อใส่ชุด กล้ามเนื้อต่างๆ ทั้ง 16 จุดมีการทำงานลดลงหรือไม่ (muscle activation) และลดลงร้อยละเท่าไหร่ ซึ่งจะทำให้ทราบว่าชุดมีส่วนช่วยในการผ่อนภาระของกล้ามเนื้อหรือไม่ นอกจากนี้ เรายังใช้เซ็นเซอร์ที่เป็นเชิงพาณิชย์ในการตรวจสอบการทำงานของเซ็นเซอร์ที่อยู่ในชุดเรเชล ในขณะเดียวกันก็ให้เซ็นเซอร์ในชุดเรียนรู้ท่าทางต่างๆ ของผู้สวมใส่ไปด้วย”

เมื่อถามถึงความคืบหน้าในการทดสอบและความคาดหวังเรื่องประสิทธิภาพ ดร.วรวริศ เล่าว่า “ขณะนี้อยู่ในช่วงวิเคราะห์ข้อมูล แต่เราคาดหวังว่าชุดเรเชลน่าจะช่วยผ่อนภาระได้ประมาณร้อยละ 10-20 เนื่องจากเป้าหมายของเราคือ เราต้องการให้ผู้สูงอายุใช้กล้ามเนื้อของตัวเอง โดยชุดเข้าไปช่วยเติมเต็มภาระการทำงานของกล้ามเนื้อในส่วนที่ลดลงไป เราหวังให้ระบบเรียนรู้พฤติกรรมของผู้สวมใส่ และปรับแรงดันลมให้เหมาะสมกับแต่ละบุคคล เพื่อให้ผู้สูงอายุทำท่าทางต่างๆ ได้สำเร็จโดยที่ไม่พลัดตกหกล้ม ดังนั้น ชุดเรเชลจึงเป็นชุดที่ช่วยในการเคลื่อนไหวเพื่อป้องกันการบาดเจ็บในผู้สูงอายุ”

EMG (Electromyography) คือ การตรวจวัดสัญญาณไฟฟ้ากล้ามเนื้อ ซึ่งเป็นค่าการเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์ของกล้ามเนื้อที่ออกแรง

EMG แบ่งเป็น 2 เทคนิค ได้แก่

1. Surface Electromyography (sEMG) เป็นเทคนิคสำหรับใช้ในกลุ่มผู้ที่ไม่ใช่บุคลากรทางการแพทย์ (non-medical procedure) เช่น นักวิจัย นักวิทยาศาสตร์ การตรวจวัดทำโดยการติดอิเล็กโทรด (electrode) บริเวณกล้ามเนื้อที่ต้องการวัด แต่ข้อควรระวังคือ ต้องติดในตำแหน่งที่ถูกต้อง เพื่อป้องกันสัญญาณจากกล้ามเนื้ออื่น (crosstalk), สัญญาณรบกวน (noise) หรือสัญญาณแปลกปลอมอื่นๆ (artifact) สอดแทรกเข้ามา

2. Intramuscular Electromyography เป็นเทคนิคสำหรับนักประสาทวิทยาใช้เพื่อตรวจสอบความผิดปกติในทางการแพทย์ การตรวจวัดทำโดยการสอดอิเล็กโทรดที่มีลักษณะเหมือนเข็ม (needle electrode) เข้าไปในกล้ามเนื้อเพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงสัญญาณกล้ามเนื้อ เทคนิคนี้มีความแม่นยำกว่า sEMG แต่อาจทำให้กล้ามเนื้อเกิดการบาดเจ็บได้

สัญญาณไฟฟ้ากล้ามเนื้อที่วัดได้จากทั้ง 2 เทคนิคนี้สามารถนำมาใช้คำนวณค่าร้อยละของ Muscle Activation เมื่อเทียบกับการออกแรงที่มากที่สุดของกล้ามเนื้อนั้น ซึ่งค่าร้อยละของ Muscle Activation ที่มีระดับต่ำจะบ่งบอกว่ากล้ามเนื้อออกแรงในระดับน้อย

ความท้าทายและอุปสรรคที่ต้องก้าวข้าม

เนื่องจากชุดเรเชล รุ่น Active ยังเป็นต้นแบบ ทีมวิจัยพัฒนาชุดโดยนำอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ปั๊มลม เซ็นเซอร์ ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดมาดัดแปลงแล้วใส่ระบบควบคุมต่างๆ เข้าไป ซึ่งอาจทำให้มีข้อจำกัดอยู่บ้าง ดร.วรวริศ กล่าวว่า “ทีมวิจัยต้องการพัฒนาชุดที่ใช้ได้จริง คือชุดที่สามารถช่วยพยุงกล้ามเนื้อได้ในระดับที่เหมาะสมและน่าสวมใส่ การที่ทีมเลือกเทคโนโลยีกล้ามเนื้อจำลองที่ทำงานด้วยแรงลม เนื่องจากเราสามารถพัฒนาเองได้ แต่เมื่อนำมาใส่ในชุดก็อาจยังมีส่วนที่แข็ง อีกทั้งต้องทำงานร่วมกับปั๊มลม ท่อลม และแบตเตอรี่ ทำให้ยังไม่เหมาะสำหรับการสวมใส่นอกบ้านเพราะอุปกรณ์มีหลายส่วนและมีน้ำหนัก การสวมใส่ต้องมีคนช่วยต่อท่อลม และการนำชุดไปซักทำความสะอาดก็ต้องถอดอุปกรณ์และระบบอิเล็กทรอนิกส์ออกทั้งหมดทำให้ไม่สะดวกนัก”

“การพัฒนาในขั้นต่อไป ในส่วนของกล้ามเนื้อจำลอง เราอาจจะพัฒนาให้ใช้แรงดันลมไม่มาก เพื่อที่จะสามารถลดขนาดของปั๊มลมและแบตเตอรี่ได้ หรือกระตุ้นด้วยสัญญาณอื่นที่ไม่ต้องใช้ปั๊มลม อย่างทุกวันนี้การวิจัยเทคโนโลยีกล้ามเนื้อจำลองมีค่อนข้างมาก ส่วนใหญ่ทำจากวัสดุอ่อนนุ่ม (soft material) และอาจใช้ไฟฟ้าเพียงไม่กี่โวลต์ในการกระตุ้นก็สามารถทำงานได้ ส่วนเซ็นเซอร์ เรามุ่งเน้นเซ็นเซอร์ที่สามารถผสมผสาน (integrate) เข้าไปในชุดเป็นแบบที่สวมใส่ได้ (wearable) ซึ่งจะทำให้ระบบมีความเทอะทะน้อยลง ชุดก็จะน่าสวมใส่มากขึ้น และโอกาสที่จะไปสู่เชิงพาณิชย์ก็จะง่ายขึ้น”

นอกจากความท้าทายด้านเทคโนโลยีแล้ว ดร.วรวริศ เล่าว่า “ผู้สูงอายุที่อยู่ในกลุ่มพฤฒพลัง ยังรู้สึกว่าตัวเองแข็งแรง พวกเขาก็คงไม่ต้องการสวมใส่ชุดนี้ในชีวิตประจำวันเพื่อป้องกัน แต่ถ้าวันใดเกิดหกล้มจะเกิดผลกระทบตามมาค่อนข้างมาก ซึ่งทีมวิจัยไม่ต้องการให้เกิดความเสี่ยง ดังนั้นความท้าทายคือ เราจะโน้มน้าวอย่างไรให้ผู้สูงอายุเชื่อว่าชุดมีความเหมาะสม ดูน่าใช้ และมีประโยชน์ต่อพวกเขา”

Musculoskeletal Modelling คือ การใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์และคอมพิวเตอร์ในการจำลองการทำงานของกล้ามเนื้อ (ที่มีผลต่อการเคลื่อนไหว) และกระดูก ซึ่งในงานวิจัยนี้ใช้เพื่อการออกแบบและประเมินประสิทธิภาพของชุด Exosuit

การใช้ Musculoskeletal Modelling จะต้องเก็บข้อมูลการเคลื่อนไหวโดยการวิเคราะห์ตรวจจับการเคลื่อนไหว (motion capture analysis) ซึ่งมี 2 วิธี ได้แก่

1. ใช้กล้อง 3 มิติ โดยจะต้องติดเครื่องหมาย (marker) ตามจุดต่างๆ ของร่างกายเพื่อดูการเคลื่อนไหว ซึ่งวิธีนี้มีความละเอียดถูกต้องแม่นยำ (precision) สูง

2. ใช้เซ็นเซอร์ หรือ IMU (Inertial Measurement Unit) ติดตามจุดต่างๆ ของร่างกาย และเก็บข้อมูลเป็นความเร่ง จากนั้นระบบจะประมวลผลกลับมาเป็นข้อมูลตำแหน่ง เหมือนกับข้อมูลที่ได้จากกล้อง 3 มิติ แต่วิธีนี้มีจุดเด่นที่เหนือกว่าการใช้กล้อง 3 มิติที่สามารถใช้งานนอกสถานที่ได้ เช่น การขึ้นลงรถ

ข้อมูลที่ได้จาก Musculoskeletal Modelling ได้แก่ ข้อมูลด้าน kinetics คือพลังงานตามจุดต่างๆ และข้อมูลด้าน kinematics คือข้อมูลด้านการเคลื่อนไหว เช่น ลักษณะของการเคลื่อนไหวของกลุ่มกล้ามเนื้อที่ทำหน้าที่งอของสะโพก (Hip flexion) ที่เกิดขึ้นในท่า sit-to-stand เป็นต้น ซึ่งข้อมูลเหล่านี้วัดได้ยาก แต่เป็นประโยชน์ในการใช้ออกแบบชุด Exosuit และทำนายแรงและโมเมนต์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นในระหว่างการเคลื่อนไหวเพื่อป้องกันการบาดเจ็บ

เบื้องหลังความสำเร็จ

ชุดเรเชล รุ่น Active เป็นผลงานของทีมวิจัยการออกแบบเพื่อการเป็นอยู่ที่ดี ดร.วรวริศ เล่าถึงหน้าที่ความรับผิดชอบของสมาชิกในทีมว่า “ดร.ศราวุธ เลิศพลังสันติ และ ดร.วรวริศ กอปรสิริพัฒน์ ดูแลภาพรวมของโครงการวิจัย ดร.เปริน วันแอเลาะ มีความเชี่ยวชาญด้านกายวิภาคศาสตร์ โดยเฉพาะการตรวจคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ หรือ EMG และการวิเคราะห์ผลที่ได้ ซึ่งคุณพรพิพัฒน์ อยู่สา จะเป็นผู้เก็บข้อมูล ประมวลผลสัญญาณ EMG (signal processing) และวิเคราะห์เชิงสถิติ คุณสุธิมา สุขอ่อน และคุณอรรถกร สุวนันทวงศ์ จะทำหน้าที่ทดสอบ เนื่องจากคุณอรรถกรมีความเชี่ยวชาญด้านการยศาสตร์ (ergonomics) คุณฮาซียะห์ แวหามะ ดูแลเรื่องเซ็นเซอร์ร่วมกับ ดร.ศราวุธ และ ดร.ธนรรค อุทกะพันธ์ ดูแลเรื่องแบบจำลองการเคลื่อนไหวทางชีวกลศาสตร์และการยศาสตร์ (musculoskeletal modelling)”

สนใจรายละเอียดเพิ่มเติมติดต่อ
คุณสุนทรีย์ โฆษิตชัยยงค์
โทรศัพท์ 0 2564 6500 ต่อ 4783
อีเมล: soontaree.kos@mtec.or.th หรือ

คุณระพีพันธ์ ระหงษ์
โทรศัพท์ 0 2564 6500 ต่อ 4789
อีเมล: rapeepr@mtec.or.th
ฝ่ายพัฒนาธุรกิจ งานประสานธุรกิจและอุตสาหกรรม

ขอบคุณข้อมูลจาก
ดร.วรวริศ กอปรสิริพัฒน์ และคณะ จากทีมวิจัยการออกแบบเพื่อการเป็นอยู่ที่ดี ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม