Underwater Exoskeleton โครงกระดูกภายนอกใต้น้ำ อุปกรณ์ช่วยลดการใช้อากาศ และลดภาระของกล้ามเนื้อขา ทำให้ดำนํ้าได้นานขึ้น
ความท้าทายของการเคลื่อนที่ใต้น้ำ
วิวัฒนาการได้ผลักดันให้มนุษย์เป็นสัตว์ที่เดินบนบกได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง แต่กลับกลายเป็นนักดำน้ำที่ไม่มีประสิทธิภาพเมื่อต้องเคลื่อนที่ใต้น้ำ นักดำน้ำต้องใช้พลังงานมากกว่าการเคลื่อนที่บนบกในระยะทางที่เท่ากันอย่างมาก
ในขณะที่เทคโนโลยี โครงกระดูกภายนอก (Exoskeletons) ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้เพื่อลดต้นทุนการเผาผลาญ (Metabolic Cost) ในการเคลื่อนที่บนพื้นดินได้อย่างหลากหลายแล้ว คำถามที่สำคัญคือ เราสามารถพัฒนาประสิทธิภาพด้านพลังงานในการเคลื่อนที่ใต้น้ำด้วยการใช้โครงกระดูกภายนอกได้หรือไม่?
แนวคิดและการออกแบบ Underwater Exoskeleton
นักวิจัยจากจีนนำเสนอโครงกระดูกภายนอกที่ถูกออกแบบมาเพื่อช่วยเหลือการเคลื่อนที่ใต้น้ำด้วยเทคนิคการเตะขาแบบ Flutter Kick ซึ่งเป็นรูปแบบการเคลื่อนที่หลักของการดำน้ำลึก
หลักการทำงานของการช่วยเหลือ
หลักการสำคัญของโครงกระดูกภายนอกนี้คือการใช้ แรงบิดช่วยในการเหยียดหัวเข่า (Assistive Knee Extension Torque) เพื่อเสริมแรงให้กับนักดำน้ำในช่วงเวลาที่เหมาะสมที่สุดของวงจรการเตะขา
1. การมุ่งเน้นที่เทคนิค Flutter Kick และจังหวะ Strike Phase
การดำน้ำแบบ Scuba ส่วนใหญ่ใช้การเคลื่อนที่ด้วยเทคนิค Flutter Kick ซึ่งเป็นการเตะขาแบบสลับขึ้นลงอย่างต่อเนื่อง โครงกระดูกภายนอกนี้ถูกออกแบบมาเพื่อเสริมประสิทธิภาพในการเตะขาแบบนี้โดยเฉพาะ โดยมุ่งเป้าไปที่ จังหวะ Strike Phase (หรือ Downstroke)
Strike Phase: คือช่วงที่ขากวาดลงด้านล่างหรือเตะน้ำไปด้านหลัง ซึ่งเป็นจังหวะที่สร้างแรงขับเคลื่อน (Propulsion) ส่วนใหญ่ และต้องใช้กล้ามเนื้อหลักในการ เหยียดหัวเข่า (Knee Extension) คือ กล้ามเนื้อ Quadriceps (ต้นขาด้านหน้า) ให้ทำงานหนักที่สุด
2. การประยุกต์ใช้แรงบิดช่วย (Assistive Torque)
ในจังหวะ Strike Phase ที่กล้ามเนื้อ Quadriceps ต้องหดตัวเพื่อเหยียดขาและผลักตีนกบ โครงกระดูกภายนอกจะส่ง แรงบิดช่วย เข้าไปเสริมแรงที่ข้อต่อหัวเข่าโดยตรง
การลดภาระกล้ามเนื้อ: การเสริมแรงนี้ทำหน้าที่คล้ายกับการเป็น “ตัวช่วยผ่อนแรง” ให้กับกล้ามเนื้อ Quadriceps และ Gastrocnemius (กล้ามเนื้อน่อง) ทำให้ผู้ดำน้ำไม่จำเป็นต้องออกแรงทางชีวกลศาสตร์ (Biological Joint Moment) ด้วยตนเองมากเท่าเดิม
ความแม่นยำของเวลา: จากผลการวิจัยพบว่า การช่วยเหลือจะได้ผลสูงสุดเมื่อแรงบิดถูกส่งเข้าสู่ระบบอย่างแม่นยำและสัมพันธ์กับจังหวะการออกแรงตามธรรมชาติของผู้ใช้ นี่คือหัวใจสำคัญในการลดการกระตุ้นของกล้ามเนื้อ
3. ระบบควบคุมอัจฉริยะและการผสานการทำงาน
โครงกระดูกภายนอกนี้ไม่ใช่ระบบบังคับ แต่เป็นระบบที่ทำงานร่วมกับผู้ใช้ได้อย่างแนบเนียนผ่านการใช้เทคโนโลยีเซ็นเซอร์
เซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว (IMUs): ระบบจะติดตั้งเซ็นเซอร์ตรวจวัดการเคลื่อนไหวเฉื่อย (Inertial Measurement Units – IMUs) เพื่อรับรู้ วงจรและเฟส (Phase) การเตะขาของผู้ดำน้ำแบบ เรียลไทม์
การควบคุมแรงบิดแบบปรับตัวได้ (Adaptive Torque Control): เมื่อระบบทราบว่าขาของผู้ดำน้ำอยู่ในช่วงเริ่มต้นของ Strike Phase ก็จะเริ่มปล่อยแรงบิดช่วยออกมา และปรับขนาดของแรงบิดให้สอดคล้องกับการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของผู้ใช้ ทำให้ความช่วยเหลือเกิดขึ้นในระดับที่เหมาะสมที่สุด และไม่ขัดขวางจังหวะการเตะขาของผู้ดำน้ำ
4. ผลลัพธ์ทางสรีรวิทยา: ลดพลังงานและยืดระยะเวลา
การลดภาระที่กล้ามเนื้อโดยตรงผ่านการช่วยเหลือที่หัวเข่า ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการดำน้ำโดยรวม:
ลดการใช้พลังงานเผาผลาญ (Metabolic Cost): เมื่อกล้ามเนื้อหลักออกแรงน้อยลง ร่างกายก็จะใช้พลังงานในการเผาผลาญลดลง ซึ่งความต้องการออกซิเจนของร่างกายก็ลดลงตามไปด้วย
ลดการใช้อากาศ: ความต้องการออกซิเจนที่ลดลงโดยตรงนี้เองที่ทำให้เกิดการ ลดต้นทุนอากาศสุทธิเฉลี่ย (Net Air Cost) ลงอย่างมีนัยสำคัญ (22.7%)
เพิ่มความทนทาน: ในทางปฏิบัติ นั่นหมายความว่านักดำน้ำจะสามารถใช้ถังอากาศในการดำน้ำได้ยาวนานขึ้นมาก เพิ่มระยะเวลาและขอบเขตในการสำรวจโลกใต้น้ำได้อย่างปลอดภัยยิ่งขึ้น
ผลการทดลองและการลดภาระของนักดำน้ำ
ทีมนักวิจัยได้ทำการทดสอบโครงกระดูกภายนอกนี้กับนักดำน้ำที่มีประสบการณ์จำนวน 6 คน โดยเปรียบเทียบผลลัพธ์ระหว่างการดำน้ำแบบปกติที่ไม่มีโครงกระดูกภายนอกกับการดำน้ำที่สวมใส่โครงกระดูกภายนอกที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงาน
ผลการทดลองที่ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในการลดภาระทางสรีรวิทยาของผู้ดำน้ำอย่างชัดเจน:
1. การลดการใช้อากาศ (Air Consumption)
- การใช้อากาศเฉลี่ยสุทธิ (Average Net Air Cost) ของผู้ดำน้ำลดลง 22.7% (± 10.0%) เมื่อเทียบกับการดำน้ำแบบปกติ
- การลดการใช้อากาศที่เพิ่มขึ้นนี้ ชี้ให้เห็นว่าผู้ดำน้ำสามารถประหยัดพลังงานที่ใช้ในการหายใจลงได้มาก ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการเพิ่มความทนทาน (Endurance) ในการดำน้ำ
2. การลดการกระตุ้นกล้ามเนื้อ (Muscle Activation)
โครงกระดูกภายนอกยังช่วยลดความเครียดที่เกิดขึ้นกับกลุ่มกล้ามเนื้อหลักที่ใช้ในการเตะขาได้อย่างมีประสิทธิภาพ:
- การกระตุ้นกล้ามเนื้อ Quadriceps (ต้นขาด้านหน้า) ลดลง 20.9% (± 7.5%)
- การกระตุ้นกล้ามเนื้อ Gastrocnemius (น่อง) ลดลง 20.6% (± 5.3%)
การลดการทำงานของกล้ามเนื้อทั้งสองกลุ่มนี้บ่งชี้ว่าผู้ดำน้ำสามารถใช้ประโยชน์จากการช่วยเหลือของโครงกระดูกภายนอกได้อย่างเต็มที่ ซึ่งนำไปสู่ความเหนื่อยล้าที่ลดลงอย่างชัดเจน
ความสำคัญและบทสรุป
ผลการวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า การประยุกต์ใช้ความช่วยเหลือจากโครงกระดูกภายนอกมีประโยชน์อย่างยิ่งต่อการ เพิ่มความทนทาน ในการดำน้ำของมนุษย์ และ เพิ่มความสามารถในการสำรวจโลกใต้น้ำ ได้ยาวนานขึ้น
งานวิจัยนี้ถือเป็นการขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้ หุ่นยนต์สวมใส่ (Wearable Robots) และประเมินผลอุปกรณ์ช่วยเหลือใต้น้ำในอนาคต
อ้างอิง และ cover ieeexplore.ieee.org
อ่านบทความและข่าวอื่นๆเพิ่มเติมได้ที่ it24hrs.com
Underwater Exoskeleton ช่วยให้ดำนํ้าได้นานขึ้น
อย่าลืมกดติดตามอัพเดตข่าวสาร ทิปเทคนิคดีๆกันนะคะ Please follow us
Youtube it24hrs
Twitter it24hrs
Tiktok it24hrs
facebook it24hrs
