สารพันปัญหาที่เกิดขึ้นในโลกศตวรรษที่ 21 อาจจะต้องการคำตอบใหม่ๆ เข้ามาแก้ไขจัดการ และหนึ่งในนั้นคือวัสดุที่มีคุณสมบัติแปลกใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อน ลองจินตนาการถึงจักรยานพับได้ ที่ไม่เพียงแค่พับทบกันสองสามครั้งแล้วหิ้วเดินขึ้นรถไฟฟ้า แต่เป็นจักรยานที่พับได้จนมีขนาดเล็ก แถมเบาหวิวจนใครๆ ก็พกติดตัวเอาไว้ในกระเป๋ากางเกงได้!
เราอาจจะได้เห็นสิ่งประดิษฐ์ที่ดูเหมือนจะหลุดออกมาจากการ์ตูนโดราเอมอนนี้ในเวลาอีกไม่นานเท่าไหร่ ด้วยการใช้ปัญญาประดิษฐ์ (Artificial intelligance) มาช่วยเราออกแบบ “อภิวัสดุ” (metamaterial)
อภิวัสดุคือวัสดุที่มีคุณสมบัติใหม่ๆ ซึ่งไม่เคยถูกค้นพบมาก่อนในธรรมชาติ ก่อนหน้านี้นักวัสดุศาสตร์และวิศวกรใช้กระบวนการทดลอง และการลองผิดลองถูกจนได้เป็นวัสดุเหล่านี้ขึ้นมา แต่ด้วยวิทยาการคอมพิวเตอร์ที่ก้าวล้ำขึ้น เราสามารถเขียนคำสั่งให้สมองกลค้นหาวัสดุใหม่ๆ โดยมีคุณสมบัติตามที่เราต้องการได้
คณะนักวิจัยนำโดย มิเกล เบสซา (Miguel Bessa) จากภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์ (Delft University of Technology) ประเทศเนเธอร์แลนด์ ประสบความสำเร็จในการใช้อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องจักรแบบเบย์ (Bayesian machine learning) เพื่อนำมาออกแบบวัสดุที่ทนต่อแรงบีบอัดสูงจากพอลิเมอร์ที่เปราะแตกได้ง่าย
ผลงานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสาร Advadvnced Materials เมื่อกลางเดือนตุลาคม ค.ศ. 2019 ที่ผ่านมา
Bayesian machine learning เป็นการใช้หลักความน่าจะเป็นมาช่วยค้นหาและออกแบบอภิวัสดุตามคุณสมบัติที่ต้องการตั้งแต่วัตถุดิบที่ต้องใช้ สัดส่วนความยาวของชิ้นส่วนต่างๆ รวมถึงวิธีการที่จะผลิตมันขึ้นมา โดยใช้ฐานข้อมูลเกี่ยวกับวัสดุศาสตร์ที่เรามีอยู่ ณ ปัจจุบัน
อัลกอริทึมของคณะนักวิจัยคณะนี้สามารถสร้างแบบจำลองออกมาได้กว่า 100,000 รูปแบบ ซึ่งทีมนักวิจัยสุ่มและคัดเลือกต้นแบบไปขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ จนได้มาเป็นอภิวัสดุที่ประกอบไปด้วยชิ้นส่วนวงกลมสองชิ้น ค้ำยันด้วยแกนตามแนวยาวที่ยืดหยุ่นได้ดี และได้ทดลองสร้างของจริงขึ้นมาสองขนาด
ขนาดใหญ่ที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ชิ้นส่วนวงกลมมีขนาด 9 ซม. และ 7.5 ซม. ตามลำดับ ส่วนแกนค้ำมีทั้งหมด 10 แกน ความยาว 6 ซม. มีความยืดหยุ่นสูงมาก เมื่อได้รับแรงกด มันสามารถเปลี่ยนแปลงความยาวเมื่อเทียบกับภาวะปกติ (ค่าความเครียด หรือ strain) ได้ถึง 94% ส่วนการขึ้นรูปวัสดุชนิดนี้ให้มีขนาดเล็กในระดับมิลลิเมตร ทีมนักวิจัยพบว่ามันทนทานต่อแรงกดได้ถึง 100 กิโลปาสคาล และมีค่าความเครียดอยู่ที่ 80%
มิเกล เบสซา นักวิจัยให้สัมภาษณ์ว่าได้เขาแรงบันดาลใจจากสมัยที่กำลังทำงาน ณ ห้องปฏิบัติการโครงสร้างทางอวกาศ (Space Structure Lab) สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (California Institute of Technology) โดยดาวเทียมจะอาศัยใบเรือสุริยะ (solar sail) ในการขับเคลื่อน ใบเรือดังกล่าวเป็นกระจกที่มีขนาดใหญ่และบางมาก ซึ่งถูกพับเก็บไว้อย่างดีตอนอยู่บนโลก และจะกางออกในอวกาศ
เขากล่าวต่อว่าสิ่งสำคัญไม่ใช่วัสดุที่ถูกสร้างสรรค์ขึ้นมา แต่เป็นความสามารถในการดึงประสิทธิภาพของปัญญาประดิษฐ์ออกมาให้มากที่สุด เพื่อพาเราเข้าสู่ดินแดนแห่งการออกแบบในสิ่งที่ยังไม่เคยมีใครเข้าถึงมาก่อน
งานวิจัยที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลโดยอาศัยอัลกอริทึมของปัญญาประดิษฐ์ จะมาทำให้กระบวนออกแบบที่แต่เดิมต้องลองผิดลองถูก กลายเป็นวิทยาศาสตร์ที่ใช้ข้อมูลเป็นตัวขับเคลื่อน ซึ่งมิเกล เบสซาเชื่อว่ามันจะเป็นหนทางในการพาเราไปถึงอนาคตที่แต่เดิมเราได้แต่จินตนาการเอาไว้
มนุษย์เราสร้างเครื่องจักรมาทุ่นแรงและเวลาที่ใช้ในการคิดมาโดยตลอด จากเดิมที่ต้องคิดเลขยากๆทั้งหมดด้วยสมอง ก็ใช้เครื่องคิดเลขที่คำนวณได้ตั้งแต่การบวกลบคูณหารจนถึงฟังก์ชันคณิตศาสตร์ซับซ้อน
ส่วนงานวิจัยนี้อาจเป็นจุดเริ่มต้นที่เครื่องจักรจะมาช่วยเรามองหาวัสดุและโครงสร้างที่เราต้องการ
ไม่รู้เหมือนกันว่าในอนาคตอันแสนไกล เครื่องจักรจะมาคิดช่วยเราได้มากแค่ไหน
หรือบางทีมนุษย์ในอนาคตอาจไม่ต้องทำอะไรเลย แม้แต่การตัดสินใจ…
อ้างอิง
https://phys.org/news/2019-10-material-artificial-intelligence.html
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904845