หนังสือ สิ่งประดิษฐ์ MIMIC ธรรมชาติ ผู้เขียน บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์ อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร และ มาริสา คุณธนวงศ์ เจ้าของลิขสิทธิ์ : ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ © สงวนลิขสิทธิ์โดยส�ำนักพิมพ์สารคดี ในนามบริษัทวิริยะธุรกิจ จ�ำกัด ห้ามการลอกเลียนไม่ว่าส่วนหนึ่งส่วนใดของหนังสือ นอกจากจะได้รับอนุญาต พิมพ์ครั้งที่ 1 ตุลาคม 2553 จ�ำนวนพิมพ์ 4,000 เล่ม ราคา 190 บาท ข้อมูลบรรณานุกรม บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์. สิ่งประดิษฐ์ MIMIC ธรรมชาติ.--กรุงเทพฯ : สารคดี, 2553. 176 หน้า. 1. สิ่งประดิษฐ์. I. อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร, มาริสา คุณธนวงศ์ ผู้เขียนร่วม. 608 ISBN 978-974-484-315-9
คณะผู้จัดท�ำ บรรณาธิการเล่ม : ปณต ไกรโรจนานันท์ ผู้ช่วยบรรณาธิการ : นฤมล สุวรรณอ่อน ออกแบบปก/จัดรูปเล่ม : ชาญศักดิ์ สุขประชา พิสูจน์อักษร : นวลจันทร์ ทองมาก ควบคุมการผลิต : ธนา วาสิกศิริ จัดพิมพ์ ส�ำนักพิมพ์สารคดี (ในนามบริษัทวิริยะธุรกิจ จ�ำกัด) จัดจ�ำหน่าย บริษัทวิริยะธุรกิจ จ�ำกัด 28, 30 ถนนปรินายก แขวงบ้านพานถม เขตพระนคร กรุงเทพฯ 10200 โทร. 0-2281-6110 (อัตโนมัติ) โทรสาร 0-2282-7003 เพลต เอ็นอาร์ฟิล์ม โทร. 0-2215-7559 พิมพ์ โรงพิมพ์ฟิสิกส์เซ็นเตอร์ โทร. 0-2433-7704 ส�ำนักพิมพ์สารคดี ผู้อ�ำนวยการ : สุวพร ทองธิว ผู้จัดการทั่วไป : จ�ำนงค์ ศรีนวล ที่ปรึกษากฎหมาย : สมพจน์ เจียมพานทอง ผู้อำ� นวยการฝ่ายการตลาด/โฆษณา : ปฏิมา หนูไชยะ ผู้อ�ำนวยการฝ่ายศิลป์/ฝ่ายผลิต : จ�ำนงค์ ศรีนวล ผู้จัดการฝ่ายการตลาด : พิเชษฐ ยิ้มถิน ที่ปรึกษาส�ำนักพิมพ์ : สุดารา สุจฉายา บรรณาธิการส�ำนักพิมพ์ : สุวัฒน์ อัศวไชยชาญ
จากส�ำนักพิมพ์ ค�ำว่า mimic ในชื่อหนังสือคืออะไร mimic แปลว่า ลอกเลียน เลียนแบบ ชื่อสิ่งประดิษฐ์ mimic ธรรมชาติเล่มนี้จึงเป็นเรื่องราวเกี่ยวกับสิ่งประดิษฐ์ที่เลียนแบบสิ่งมีชีวิต หรือธรรมชาติ โดยมนุษย์เราจะศึกษาสิ่งที่ธรรมชาติออกแบบ แล้วน�ำมา ประยุกต์เป็นเทคโนโลยีเพือ่ แก้ปญั หาหรือสร้างสิง่ ทีต่ อบสนองความต้องการ ของเรา แนวคิดนีเ้ รียกกันด้วยศัพท์เฉพาะว่า biomimicry (มาจากค�ำภาษา กรีกคือ bios แปลว่า ชีวิต กับ mimesis แปลว่า ลอกเลียน เลียนแบบ) แม้ ค� ำ นี้ จ ะเป็ น ค� ำ ที่ เ กิ ด ขึ้ น เมื่ อ ไม่ น านมานี้ แต่ แ นวคิ ด เรื่ อ ง biomimicry มิใช่เรื่องใหม่แต่อย่างใด มนุษย์เราได้แรงบันดาลใจใน การประดิษฐ์คิดค้นจากการเฝ้าสังเกตธรรมชาติมานานแล้ว ตัวอย่างหนึ่ง ก็คือ ความต้องการจะบินได้อย่างนก ตั้งแต่ภาพร่าง "เครื่องจักรบินได้" ที่ เลโอนาร์โด ดาวินชี วาดไว้เมื่อคริสต์ศตวรรษที่ 15 จนถึงเครื่องไรต์- ฟลายเออร์ ทีพ่ นี่ อ้ งตระกูลไรต์ใช้บนิ ขึน้ สูอ่ ากาศได้เป็นครัง้ แรกของโลกเมือ่ ปี ค.ศ. 1903 ล้วนได้แรงบันดาลใจจากการเฝ้าสังเกตการบินของนก ในอดีตเราอาจเลียนแบบธรรมชาติเพื่อให้เราท�ำได้เช่นเดียวกับ ที่ธรรมชาติท�ำ แต่ปัจจุบันเรายังเลียนแบบธรรมชาติเพื่อสร้างสิ่งของ เครื่องใช้ที่กลมกลืนกับธรรมชาติมากขึ้น เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ทั้งนี้ก็เพื่อธรรมชาติเอง ดูเผินๆ เหมือนว่า biomimicry นั้นช่างไกลตัวคุณผู้อ่านเสีย เหลือเกิน แต่อันที่จริงแล้วมิใช่เช่นนั้นเลย แถบหนามเตยหรือเวลโคร บนกระเป๋าหรือเสื้อผ้าก็เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดจาก biomimicry สิ่งประดิษฐ์ mimic ธรรมชาติเล่มนี้จะพาคุณผู้อ่านส�ำรวจตัว อย่างอื่นๆ ที่มนุษย์น�ำสิ่งที่ธรรมชาติประดิษฐ์มาพัฒนาเป็นเทคโนโลยี และผลิตภัณฑ์ต่างๆ ไม่แน่ว่า เมื่ออ่านหนังสือเล่มนี้จบแล้ว คุณผู้อ่าน อาจอยากลองค้นหาแรงบันดาลใจจากธรรมชาติขึ้นมาบ้างก็เป็นได้ ส�ำนักพิมพ์สารคดี
จากผู้เขียน หนังสือเล่มนี้มีจุดเริ่มจากข่าววิทยาศาสตร์เล็กๆ เมื่อหลายปีก่อนว่า นักวิทยาศาสตร์ค้นพบความลับในการเกาะผนังของตุ๊กแก ข่าวเล็กๆ ข่าวนั้นท�ำให้ผู้เรียบเรียงได้รู้จักค�ำว่า biomimicry หรือการเลียนแบบ ธรรมชาติ ซึ่งเป็นการวิจัยเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีเลียนแบบจุดเด่นของ พืชหรือสัตว์ เช่น เทคโนโลยีเลียนแบบการเกาะติดผนังของตุ๊กแก - สัตว์ เลือ้ ยคลานทีอ่ ยูใ่ นบ้านหรือใกล้บา้ นทีไ่ ม่มใี ครไม่รจู้ กั ภาพจิง้ จกหรือตุก๊ แก ที่ไต่ไปมาบนผนังและเพดาน โดยไม่ตกลงมาบนพื้น เป็นสิ่งที่เราท่าน ต่างคุ้นเคยกันดี แต่มีกี่คนที่เคยตั้งค�ำถามว่า ท�ำไมสัตว์พวกนี้จึงไต่ไปมา บนผนังและเพดานได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ตกลงมา งานวิจัยทางด้านเทคโนโลยีเลียนแบบธรรมชาติก�ำลังได้รับความ สนใจอย่างมาก เพราะลักษณะทางธรรมชาติที่พืชหรือสัตว์เหล่านั้นมี เป็นสิง่ ทีเ่ กิดจากการทดลองโดยกระบวนการวิวฒั นาการมาหลายล้านปีแล้ว หากมนุษย์สามารถน�ำมาประยุกต์ใช้งานได้ก็จะเป็นผลิตภัณฑ์ซึ่งนอกจาก จะมีประสิทธิภาพแล้ว ยังมีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมด้วย เช่น ระบบ ปรับอากาศภายในอาคารเลียนแบบรังปลวกทีช่ ว่ ยลดการใช้พลังงาน พืน้ ผิว กันเพรียงเลียนแบบผิวปลาฉลามที่ช่วยลดการใช้สารเคมี ส่วนเทคโนโลยี อื่นก็มีจุดเด่นอื่นแตกต่างออกไป สุดท้ายนี้ผู้เรียบเรียงขอขอบคุณ คุณสรนันท์ ตุลยานนท์ และ ดร. บัญชา ธนบุญสมบัติ ที่กรุณาช่วยอ่าน ให้ค�ำแนะน�ำ รวมถึงให้ข้อคิด เห็นต่างๆ อันเป็นประโยชน์ส�ำหรับการจัดท�ำหนังสือเล่มนี้ บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์ อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร มาริสา คุณธนวงศ์
005
อาคารประหยัดพลังงาน 007 รถไฟหัวกระสุน 013 พื้นผิวสะอาดได้เอง 022 กล้องเอกซเรย์ 031
สารบัญ
เส้นใยมหัศจรรย์ 045 หอไอเฟล 060 ดื่มน�้ำจากสายหมอก 067 เทคโนโลยีเกาะหนึบ 075 089 สีเหลือบ พลาสติกมีชีวิต 103 รถยนต์ไบโอนิก 111 หุ่นยนต์หอยทาก 120 แถบหนามเตย 131 สีกันเพรียง 141 ชุดว่ายน�้ำเร็วที่สุดในโลก 155 เอกสารอ้างอิง 164 ดัชนี 171
007
อาคาร ประหยัด พลั ง งาน ได้บ้านของแมลงตัวจิ๋ว เป็นต้นแบบ
อาคารอีสต์เกต
มิก เพียร์ซ สถาปนิกผู้ออกแบบ อาคารอีสต์เกต
ปลวก สัตว์ชนิดหนึง่ ทีไ่ ม่มใี ครปรารถนา อยากให้มาอยู่ร่วมชายคาบ้านเดียวกัน เพราะเมือ่ ใดก็ตามทีพ่ บปลวกในบริเวณ บ้ า น ก็ ห มายความว่ า หายนะได้ คื บ คลานเข้ามาแล้ว จากกิตติศัพท์ที่ได้ ยินเรื่องของปลวกมาไม่เคยมีในแง่ดี เลย แต่ใครจะคาดคิดล่ะว่า เจ้ากองดิน รูปร่างประหลาดที่เรียกว่าจอมปลวก นี้ จะกลายมาเป็นต้นแบบของอาคาร ประหยัดพลังงานที่ท�ำให้ มิก เพียร์ซ (Mick Pearce) สถาปนิกชาวซิมบับเว ผู้พยายามเลียนแบบกลไกการสร้างรัง ของปลวกได้รับรางวัล Prince Claus Award for Culture and Deve- lopment มาแล้ว และอาคารที่ว่า
060
หอไอเฟล กับการเลียนแบบ กระดูกต้นขา
หอไอเฟล สัญลักษณ์ของประเทศฝรั่งเศส
ถ้ า พู ด ถึ ง สิ่ ง ปลู ก สร้ า งที่ เ ลี ย นแบบ ธรรมชาติ หลายคนอาจนึกถึงอาคาร ที่ออกแบบและก่อสร้างให้มีลักษณะ รูปร่างคล้ายสัตว์หรือพืช เช่น ตึกช้าง ซึ่ ง มั ก เลี ย นแบบเฉพาะรู ป ทรงตาม ธรรมชาติเท่านัน้ แต่สำ� หรับหอไอเฟล (Eiffel Tower) ที่จะกล่าวถึงต่อไปนั้น น�ำรูปแบบบางอย่างจากธรรมชาติมาใช้ ประโยชน์ได้เหมาะสมอย่างไม่น่าเชื่อ หอไอเฟลตัง้ อยูอ่ ย่างโดดเด่น ในกรุงปารีส เมืองหลวงของประเทศ ฝรัง่ เศส นับเป็นหนึง่ ในสถานทีท่ อ่ งเทีย่ ว ซึ่งมีชื่อเสียงมากแห่งหนึ่งในโลก หอ ไอเฟลสร้างขึ้นในช่วงปี ค.ศ. 18871889 โดย กุสตาฟ ไอแฟล (Gustave Eiffel) ขณะนั้น หอไอเฟลได้รับการ บันทึกว่าเป็นสิง่ ก่อสร้างทีส่ งู ทีส่ ดุ ในโลก โดยมีความสูงวัดจากพื้นถึงยอดเสา
061
กุสตาฟ ไอแฟล
ประมาณ 312.27 เมตร กระทั่งปี ค.ศ. 1930 ก็สูญเสียต�ำแหน่งแก่ตึก ไครส์เลอร์ (Chrysler Building) ในประเทศสหรัฐอเมริกาแทน
หอไอเฟลเลียนแบบอะไร?
ความจริงที่หลายคนอาจไม่เคยทราบ (แต่เคยไปหอไอเฟล) คือ กุสตาฟ ไอแฟล วิศวกรผู้ออกแบบและสร้างหอนี้ได้แรงบันดาลใจจากลักษณะเสี้ยน กระดูก (trabeculae) ในกระดูกต้นขามนุษย์ ! ย้อนกลับในช่วงทศวรรษที ่ 1850 ณ เมืองซูรกิ ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ คุณหมอผูเ้ ชีย่ วชาญด้านกายวิภาคศาสตร์ทา่ นหนึง่ ชือ่ แฮร์มนั น์ ฟอน เมเยอร์ (Hermann von Meyer) ศึกษากระดูกต้นขาของมนุษย์แล้วสังเกต พบว่า รูปร่างกระดูกต้นขามีลกั ษณะแปลกประหลาด คือ บริเวณโคนกระดูก มีสว่ นโค้งยืน่ ออกไปเพือ่ ให้สอดรับกับเบ้ากระดูกสะโพกได้พอดี นอกจากนี้ คุณหมอยังพบว่า ภายในกระดูกต้นขา โดยเฉพาะบริเวณโคนกระดูกนั้น ประกอบด้วยเสี้ยนกระดูกขนาดเล็กจ�ำนวนมากที่จัดเรียงตัวกันอย่างเป็น ระเบียบ
074
ละอองน�้ ำ จะไม่ เ ปี ย กพื้ น ผิ ว ที่ เ ป็ น ซู เ ปอร์ ไ ฮโดรโฟบิ ก หยดน�้ ำ จะมี ลักษณะค่อนข้างกลม และจะไหลไปรวมกันบริเวณพื้นผิวไฮโดรฟิลิก จนเกิดหยดที่มีขนาดใหญ่ขึ้น
ผลลัพธ์จากการเลียนแบบ
ผิววัสดุที่ได้จากการเลียนแบบพื้นผิวปีกด้วงชนิดนี้ ไม่เพียงน�ำไปใช้ดักจับ น�้ำจากสายหมอกในบริเวณพื้นที่แห้งแล้งเท่านั้น แต่นักวิจัยยังสามารถเพิ่ม ความพิเศษแก่ผิววัสดุ โดยผสมสารก�ำจัดแบคทีเรียลงไปในบริเวณผิว ไฮโดรฟิลิกเพื่อก�ำจัดแบคทีเรียที่ปนเปื้อนมากับน�้ำ ท�ำให้น�้ำสะอาดมากขึ้น ก่อนน�ำไปบริโภค นอกจากนี้ยังสามารถน�ำไปท�ำชิปส�ำหรับวินิจฉัยโรคและดีเอ็นเอ อุปกรณ์ควบคุมของไหลในระดับจุลภาค (microfluidic devices) และ อุปกรณ์ทำ� ความเย็น กองทัพสหรัฐฯ ก็สนใจจะใช้วสั ดุนเี้ ป็นวัสดุเลือกเก็บ สารพิษอีกด้วย
075
เทคโนโลยี เกาะหนึ บ เลียนแบบตีนตุ๊กแก Mecho-Gecko ต้นแบบหุ่นยนต์ตุ๊กแก ที่ใช้แถบยึดติดเลียนแบบ ตีนตุ๊กแก
เมื่อพูดถึงตุ๊กแก คนส่วนใหญ่คงนึกถึง ความน่าเกลียดน่ากลัวซึ่งเพียงได้ยิน เสียงร้องอันเป็นเอกลักษณ์ก็ขนลุกซู ่ ด้วยความขยะแขยง เมื่อพูดถึงจิ้งจก คนส่วนใหญ่ก็อาจนึกถึงความเชื่อที่ว่า หากได้ยินเสียงจิ้งจกร้องทักก่อนออก นอกบ้าน จะเป็นลางบอกเหตุ บางคนก็ อาจนึกถึงความสามารถในการสลัดหาง ทิ้งเพื่อหนีเอาตัวรอด แต่จะมีสักกี่คนที่นกึ ถึงความ สามารถในการไต่ผนังหรือเพดานได้ อย่างรวดเร็วคล่องแคล่ว จนนักวิทยา ศาสตร์จากหลากสาขาหลายสถาบัน ในหลายประเทศทั่วโลกต้องแข่งขันกัน วิจัยเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีให้มีความ สามารถเทียบเท่าตีนตุ๊กแกและจิ้งจก
076
ท�ำไมต้องตุ๊กแก
นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจและศึกษาการเคลือ่ นทีข่ องสัตว์และแมลงกัน มากพอสมควร ซึง่ วิธกี ารไต่ผนังของสัตว์และแมลงส่วนใหญ่เป็นเรือ่ งเข้าใจ ได้ไม่ยาก เพราะตีนของสัตว์และแมลงเหล่านัน้ มักมีเล็บแหลม จึงเกาะหรือ ไต่ผนังก�ำแพงหรือต้นไม้ได้ แต่สตั ว์และแมลงส่วนใหญ่ไม่สามารถปีนหรือ ไต่ผนังผิวเรียบอย่างกระจกได้ ขณะทีต่ กุ๊ แกสามารถไต่ได้ทงั้ พืน้ ผิวเรียบ ผิว หยาบ อีกทั้งยังเดินบนเพดานได้อย่างคล่องแคล่วว่องไว ความสามารถในการไต่และเกาะอันน่าทึง่ ของตุก๊ แกนีไ้ ด้รบั ความ สนใจมาตัง้ แต่อดีตกาลแล้ว เช่น อริสโตเติลเคยตัง้ ข้อสังเกตว่า สัตว์ประเภท จิง้ จกและตุก๊ แก (วงศ์ Gekkonidae) สามารถไต่ผนังขึน้ -ลงได้อย่างรวดเร็ว จนในยุคปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์น�ำตุ๊กแกมาทดลองพบว่า ตุ๊กแกขนาด เล็กสามารถไต่ผนังแนวตัง้ ได้เร็วถึง 1 เมตรต่อวินาทีซงึ่ นับว่ารวดเร็วพอตัว
077
เลยทีเดียว กระนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่อาจหาค�ำอธิบายเกี่ยวกับความ สามารถพิเศษนี้ได้ จากลักษณะ “อุง้ ตีน” ตุก๊ แกทีเ่ หมือนอุง้ ตีนธรรมดาๆ มีเล็บแหลม นิ้วและเล็บไม่มีความเหนียวเหมือนเทปกาว นักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐาน เกี่ยวกับความสามารถพิเศษของตุ๊กแกขึ้นมาหลายข้อ เช่น เรื่องการใช้ปุ่ม ดูด การใช้สารเหนียว การดูดโดยอาศัยแรงแคปพิลลารี (capillary) ตลอด จนถึงเรือ่ งขอเล็กๆ (hook) แต่สมมติฐานเหล่านีก้ ถ็ กู หักล้างอย่างง่ายดาย เช่น เรื่องปุ่มดูดในอุ้งตีน การใช้ปุ่มดูดจะท�ำให้การยกขาขึ้นจากพื้นแต่ละ ก้าวต้องออกแรงมาก ซึง่ มีผลให้ความเร็วในการเคลือ่ นทีล่ ดลงขัดกับลักษณะ การเคลือ่ นไหวอันคล่องแคล่วของตุก๊ แก ส่วนเรือ่ งสารเหนียวซึง่ มันอาจปล่อย ออกมาจากบริเวณอุง้ ตีน ก็เป็นไปไม่ได้เช่นกัน เนือ่ งจากตีนตุก๊ แกไม่มตี อ่ ม หรืออวัยวะพิเศษผลิตสารเหนียวแต่อย่างใด
ไขความลับการติดหนึบ
แม้สมมติฐานทัง้ หลายจะล้มเหลวหมด แต่นกั วิทยาศาสตร์กไ็ ม่ลม้ เลิกความ ตัง้ ใจทีจ่ ะไขความลับของตีนตุก๊ แกออกมาให้ได้ เมือ่ ปี ค.ศ. 2000 คณะนัก
110
จิว๋ เรียงตัวแบบโครงร่างตาข่าย (microvascular networks) เหมือนกับเป็น เส้นเลือด มีผิวเคลือบเป็นอิพอกซีโพลิเมอร์ ท่อขนาดจิ๋วนี้มีสารส�ำหรับ ซ่อมแซมอยู่ภายใน ส่วนสารเร่งปฏิกิริยาจะกระจายตัวอยู่ในชั้นผิวเคลือบ เมื่อพื้นผิวของวัสดุได้รับความเสียหาย สารส�ำหรับซ่อมแซมที่อยู่ภายในท่อ ขนาดจิ๋วก็จะไหลไปยังรอยแตกด้วยการซึมผ่านรูเล็ก (capillary action) และเมื่อสัมผัสกับตัวเร่งปฏิกิริยาในผิวเคลือบจะเกิดเป็นโพลิเมอร์เติมเต็ม บริเวณรอยแตกที่เกิดขึ้น (ภาพ c และ d) ถ้าเกิดรอยแตกขึ้นอีก การ ซ่อมแซมตัวเองก็เกิดได้อีก แม้วัสดุท่ีสามารถซ่อมแซมตัวเองได้นี้ยังพัฒนาไม่ถึงขั้นดีเลิศจน สามารถใช้งานกันอย่างกว้างกวางได้ในขณะนี ้ แต่ในอนาคตน่าจะมีประโยชน์ กับหลายๆ วงการ เช่น ใช้ซอ่ มแซมโพลิเมอร์โครงสร้างในอุปกรณ์ในดาวเทียม อวกาศ เรือด�ำน�ำ้ ทีเ่ ดินทางไปในท้องทะเลลึก หรืออุปกรณ์การแพทย์ทฝ่ี งั ใน ร่างกาย ซึง่ อาจมีรอยแตกทีไ่ ม่สามารถตรวจสอบได้งา่ ยนักและการซ่อมแซม ท�ำได้ค่อนข้างยาก รอยแตกดังกล่าวมักเป็นสาเหตุส�ำคัญที่น�ำไปสู่การ เสื่อมสภาพเชิงกล (mechanical degradation) ของวัสดุเชิงประกอบ ของโพลิเมอร์ที่เสริมแรงด้วยเส้นใย การเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าของไมโคร อิเล็กทรอนิกส์ที่มีโพลิเมอร์เป็นส่วนประกอบ เป็นต้น นอกจากธรรมชาติจะให้อะไรต่อมิอะไรที่เป็นประโยชน์โดยตรง แก่มนุษย์มากมายแล้ว โดยทางอ้อมกลไกการท�ำงานของธรรมชาติที่ดูสลับ ซับซ้อนก็ยงั เป็นต้นแบบเพือ่ สร้างประโยชน์ให้แก่มนุษย์ได้อกี แล้วมนุษย์เรา ตอบแทนอะไรแก่ธรรมชาติบ้าง ?
111
รถยนต์ ไบโอนิ ก เมื่อปลาปักเป้า
กลายร่างเป็นรถยนต์
ปลาปักเป้ากล่อง
ธรรมชาติใต้ทอ้ งทะเลนัน้ นอกจากจะมี ความสวยงามของบรรดาสรรพสิง่ มีชวี ติ แล้ว ยังมีความลึกลับที่ชวนให้ค้นหา อย่างมากด้วย ซึง่ ในบางครัง้ ความลึกลับ หลายอย่างก็สามารถรวมอยู่ในสัตว์ ทะเลตัวน้อยได้อย่างน่าอัศจรรย์เกิน คาด เมื่ อ ปี ค.ศ. 2005 บริ ษั ท เมอร์เซเดสเบนซ์ได้น�ำรถยนต์ต้นแบบ มาแสดงที่พิพิธภัณฑ์ศิลปะสมัยใหม่ (Museum of Modern Art) รัฐนิวยอร์ก ประเทศสหรัฐอเมริกา รถซึง่ เป็นจุดเด่น ในงานคั น นี้ มี ชื่ อ เรี ย กว่ า รถยนต์ ไบโอนิก (bionic car) เนือ่ งจากดีไซน์ หรือแบบรถได้รับการดัดแปลงมาจาก รูปทรงของปลาทะเลชนิดหนึง่ ทีค่ นไทย เรียกว่า ปลาปักเป้ากล่อง (boxfish)
112
รถไบโอนิก
หลายคนคงสงสัยว่าท�ำไมทางเมอร์เซเดสเบนซ์ถึงเลือกออกแบบ รถยนต์จากปลาปักเป้า เพราะปลาปักเป้าไม่ใช่ปลาที่มีชื่อเสียงในเรื่องการ ว่ายน�ำ้ เร็วเลย ดังนัน้ การสร้างรถยนต์ตน้ แบบคันนีค้ งต้องมีเบือ้ งหน้า-เบือ้ ง หลังบางอย่างที่พิเศษอย่างแน่นอน
เบื้องหลังรถที่มาจากปลา
ย้อนกลับไปเมื่อ ค.ศ. 1996 ทีมวิศวกรศูนย์เทคโนโลยีเมอร์เซเดสเบนซ์ (Mercedes-Benz Technology Center, MTC) กับแผนกวิจัยเดมเลอร์ไครส์เลอร์ (DaimlerChrysler Research) ก�ำลังมองหาตัวอย่างสิ่งมีชีวิตที่ สามารถน�ำมาใช้ท�ำต้นแบบรถยนต์ โดยประเด็นแรกที่ใช้พิจารณาคือ สิ่งมี ชีวติ นัน้ ควรมีรปู ร่างสอดคล้องตามหลักอากาศพลศาสตร์ (aerodynamic) ในช่วงแรกๆ วิศวกรของเมอร์เซเดสเบนซ์ให้ความสนใจสิง่ มีชวี ติ ที่ มีรูปร่างเพรียว เช่น โลมา ปลาฉลาม ปลาทูน่า และนกเพนกวิน การมี
113
นกเพนกวิน ปลาทูน่า ปลาฉลาม
รูปร่างเพรียวเช่นนีน้ า่ จะน�ำสัตว์เหล่านีม้ าเป็นต้นแบบรถได้ (หลายคนคงคิด เช่นเดียวกัน) แต่หลังจากไปเยือนพิพิธภัณฑ์โรเซนชไทน์ในเมืองชตุทท์ การ์ทแล้ว ทีมวิศวกรก็เปลี่ยนความคิด เพราะสัตว์ที่มีรูปร่างปราดเปรียว แบบปลาทูน่า หรือปลาฉลามนั้น ไม่เหมาะจะน�ำมาออกแบบรถยนต์ เนื่องจากมีลักษณะล�ำตัวแบนหรือเพรียวยาวเพื่อให้แหวกว่ายน�้ำได้อย่าง รวดเร็วคล่องแคล่ว ขณะที่การออกแบบรถยนต์ใช้งานในชีวิตประจ�ำวัน ต้องค�ำนึงถึงเรื่องเนื้อที่ในห้องโดยสารเป็นส�ำคัญ ทีมวิศวกรจึงหันมาสนใจปลาทีร่ ปู ร่างมีขอบมุมและว่ายน�ำ้ เชือ่ งช้า คือ ปลาปักเป้ากล่องนัน่ เอง เนือ่ งจากมีลกั ษณะบางอย่างสัมพันธ์กบั รถยนต์ ปลาปักเป้ากล่องอาศัยอยูต่ ามแนวปะการังในทะเลเขตร้อน ล�ำตัว มีลักษณะเป็นเหลี่ยม ผิวหนังไม่มีหนาม มีลักษณะเป็นแผ่นเกล็ดแข็งรูป หกเหลี่ยมเรียงติดกันเปรียบเสมือนเกราะป้องกันศัตรูหรือการกระแทกจาก
120
หุ่นยนต์ หอยทาก คืบคลานไปได้ทุกที่ “หอยทากและทาก” แค่ได้ยนิ ชือ่ ก็ทำ� ให้ รู ้ สึ ก ขยะแขยงขึ้ น มา เพราะชวนให้ นึกถึงสัตว์ประหลาดที่มีรูปร่างหน้าตา อัปลักษณ์ ผิวหนังหยุ่นๆ มันๆ แลดู ประหลาดชอบกล หากสัมผัสคงรู้สึก แฉะๆ ลืน่ ๆ มีเมือกติดมือเป็นแน่ การ เคลื่อนที่ก็ชักช้างุ่มง่ามและไม่ว่าจะไป ทีใ่ ดก็ทงิ้ ร่องรอยไว้เสมอ แต่นา่ แปลก ใจที่สัตว์ชนิดนี้มีดีอะไร จึงท�ำให้มีนัก วิทยาศาสตร์สนใจศึกษาอย่างละเอียด
การคลานที่น่าทึ่ง
หอยทากและทาก
หอยทากและทากเป็นสัตว์ที่จัดอยู่ใน ไฟลัมมอลลัสกา (mollusca) หรือที่ เรียกว่ามอลลัสก์ (mollusk) มีล�ำตัว อ่อนนิ่ม มีต่อมเมือก (slime gland) ล�ำตัวด้านล่างเป็นแผ่นตีนส�ำหรับใช้
121
เคลื่ อ นที่ หอยทากและทากแตกต่ า งกั น อย่ า งชั ด เจนตรงที่ ห อยทากมี เปลือกแข็งหุ้มในขณะที่ทากไม่มี แต่ก็มีทาก (semi-slug) บางชนิดที่มี ลักษณะก�้ำกึ่งระหว่างหอยทากกับทากโดยมีเปลือกแข็งหุ้มแต่เปลือกมี ขนาดเล็กไม่สามารถหุ้มได้ทั้งตัว ทัง้ หอยทากและทากสามารถเคลือ่ นทีไ่ ด้โดยอาศัยการหดและการ คลายตัวของกล้ามเนือ้ ตีน หากน�ำหอยทากหรือทากมาวางบนกระจกใสและ สังเกตที่ตีนขณะที่มันก�ำลังคืบคลาน โดยมองผ่านกระจกใสจากด้านล่างก็ จะเห็นแถบมืดและแถบสว่างก�ำลังเคลื่อนที่ ซึ่งก็คือกล้ามเนื้อที่ก�ำลังหดตัว และคลายตัวนั่นเอง
ด้านล่างของตีน
ภาพแสดงกล้ามเนื้อตีนของหอยทาก ก�ำลังหดตัวและคลายตัว
154
ลักษณะของเปลือกหอย Tellina plicate
ต้นแบบของสีกันเพรียง เราก็จะได้สีที่นอกจากป้องกันเพรียงและผองเพื่อน ได้อย่างมีประสิทธิภาพแล้ว ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย ธรรมชาติมีสิ่งมหัศจรรย์ซ่อนอยู่มากมาย เพียงมนุษย์ใช้ความ ฉลาดน�ำวิทยาศาสตร์มาเชือ่ มโยงเข้ากับธรรมชาติ มนุษย์กส็ ามารถดึงความ มหัศจรรย์นั้นมาใช้ได้อย่างน่าทึ่ง
155
ชุดว่ายน�้ำ เร็วที่สุด ในโลก จากฉลามแห่งท้องทะเล สู่ฉลามหนุ่มแห่งโอลิมปิก
การแข่งขันกีฬาโอลิมปิก ณ กรุงปักกิ่ง เมื่อปี ค.ศ. 2008 สปีโด ผู้ผลิตและ ออกแบบชุดว่ายน�้ำที่มีชื่อเสียงตั้งแต่ ยุคทศวรรษที ่ 1970 ได้เปิดตัวนวัตกรรม ใหม่ล่าสุด “Fastskin® LZR Racer®” ต่อยอดมาจากชุดว่ายน�้ำ “Fastskin®” ทีเ่ ลียนแบบผิวปลาฉลามจนได้รับการ ขนานนามว่าเป็นชุดว่ายน�ำ้ ที่เร็วที่สุด บรรดานักกีฬาว่ายน�ำ้ ทัง้ หลาย ต่างก็ให้ความส�ำคัญกับเวลาเพียงเศษ เสี้ยววินาที เพราะในสนามแข่ง เวลา เพี ย งน้ อ ยนิ ด นี้ ส ามารถพลิ ก ความ ปราชั ย เป็ น ชั ย ชนะได้ พวกเขาต้ อ ง
156
ค�ำนึงถึงปัจจัยต่างๆ ตัง้ แต่ความพร้อมของร่างกาย จิตใจ รวมทัง้ หลักการ ว่ายน�้ำอย่างมีประสิทธิภาพ
ฟิสิกส์กับกีฬาว่ายน�้ำ
หลายคนอาจสงสัยว่า ท�ำไมนักกีฬาว่ายน�้ำต้องสวมหมวกว่ายน�้ำ หรือ ในบางครั้ ง สั งเกตเห็ นว่ า พวกเขายั ง ต้ อ งก�ำจั ด หนวดเคราหรื อ ขนตาม ร่างกายก่อนการแข่งขัน ส�ำหรับนักกีฬาระดับโลกแล้ว เท่านี้อาจยังไม่ เพียงพอ พวกเขายังพยายามสรรหาชุดว่ายน�ำ้ ทีม่ ปี ระสิทธิภาพอีกด้วย โดย ที่ท�ำไปทั้งหมดนั้น ล้วนมีวัตถุประสงค์เพียงเพื่อลดแรงต้านของน�้ำนั่นเอง โดยขณะนักว่ายน�ำ้ เคลือ่ นตัวผ่านน�ำ้ ทีม่ คี วามหนาแน่นมากกว่าอากาศ 700 เท่า และมีความหนืดมากกว่าอากาศถึง 55 เท่า พวกเขาต้องพบกับอุปสรรค หลักคือ แรงต้านในน�้ำ ดังนั้นการเลือกใช้เทคนิคเพื่อลดแรงต้านที่เกิดขึ้น นัน้ มีความส�ำคัญต่อประสิทธิภาพของนักว่ายน�ำ้ และท่าว่ายน�ำ้ เป็นอย่างมาก แรงต้านในน�้ำที่กระท�ำต่อนักว่ายน�้ำแบ่งเป็นสามประเภท ได้แก่ แรงต้านจากการเสียดสี (friction drag) แรงต้านที่เกิดจากความดัน (pressure drag) และแรงต้านที่เกิดจากคลื่น (wave drag) แรงต้านจากการเสียดสี เป็นแรงต้านจากผลของปฏิสมั พันธ์ระหว่าง ร่างกายกับโมเลกุลของน�้ำ ซึ่งจะท�ำให้นักว่ายน�้ำว่ายช้าลง อย่างไรก็ตาม แรงต้านชนิดนีย้ งั ท�ำให้นกั ว่ายน�ำ้ เคลือ่ นผ่านน�ำ้ ได้ตามกฎข้อที ่ 3 ของนิวตัน ขณะนักว่ายน�ำ้ ต้องการเพิม่ ความเร็ว แรงต้านทีเ่ กิดจากความดันก็ เริม่ เข้ามาเป็นอีกปัจจัยหนึง่ คือ เมือ่ นักว่ายน�ำ้ เคลือ่ นตัวผ่านน�ำ้ เร็วขึน้ ความ ดันตรงช่วงศีรษะก็จะเพิม่ สูงขึน้ ช่วงศีรษะและปลายเท้าจึงมีความดันต่างกัน ท�ำให้การไหลแบบปัน่ ป่วน (turbulence) และแรงต้านชนิดนีเ้ กิดขึน้ นัน่ เอง แรงต้านที่เกิดจากคลื่นเป็นแรงต้านประเภทสุดท้าย คลื่นจะเกิด ขึ้นเมื่อนักว่ายน�้ำหรือสิ่งใดก็ตามเคลื่อนตัวผ่านพื้นผิวของของเหลว ยิ่ง นักว่ายน�้ำเคลื่อนตัวเร็วขึ้นเท่าใด ความสูงของคลื่นก็จะเพิ่มสูงขึ้น ท�ำให้ มีแรงต้านจากคลื่นมากตามไปด้วย
157
เหตุที่ฉลามว่ายน�้ำได้เร็ว
ความพยายามของสปีโดที่จะพัฒนาชุดว่ายน�้ำให้ผู้สวมใส่สามารถว่ายน�้ำ ได้เร็วขึน้ ท�ำให้สปีโดหันมาค้นหาเหตุผลทีป่ ลาฉลามว่ายน�ำ้ ได้เร็ว พวกเขา พบว่า ไม่เพียงสรีระที่ปราดเปรียวและกล้ามเนื้ออันทรงพลังเท่านั้น มัน ยังมีอาวุธลับในโครงสร้างของผิวหนังที่เสริมให้ปลาชนิดนี้ว่ายน�้ำได้เร็วกว่า ปลาอีกหลายชนิด ผิวของฉลามปกคลุมไปด้วยเกล็ดแบบพลาคอยด์ (placoid scale) โครงสร้างดังกล่าวพัฒนามาจากผิวชั้นใน มีลักษณะเฉพาะคล้ายกับฟันซี่ เล็กๆ เรียงเป็นแถวตามแนวเฉียงปกคลุมทั่วตัวรวมทั้งครีบด้วย เกล็ดมี โครงสร้างสามชั้น เริ่มจากชั้นที่ฝังอยู่ใต้ผิวหนังเรียกว่า ชั้นเบซัลเพลต (basal plate) ส่วนที่เหลือยื่นออกมาบนผิวหนังมีลักษณะแหลมไปทาง ด้านหางปลาเรียกว่า ชั้นเดนทีน (dentine) ชั้นนี้จะมีเส้นเลือดและเส้น ประสาทหล่อเลี้ยง ชั้นสุดท้ายอยู่ด้านนอกสุดเคลือบอยู่บนชั้นเดนทีน มีลักษณะคล้ายกับการเคลือบผิวฟัน เรียกว่า ชั้นไวโทรเดนทีน (vitro dentine) นอกจากนี้ภายในเกล็ดยังมีช่องว่าง (pulp cavity) เกล็ด ชนิดนี้พบในปลากระดูกอ่อนรวมทั้งฉลามเท่านั้น ถ้าหากเราลองลูบผิว ฉลามจากหัวถึงหางจะไม่รู้สึกว่าผิวมีความหยาบ แต่เมื่อลูบย้อนจาก หางถึงหัวกลับรู้สึกว่าสากมือ การเรียงตัวมีลักษณะคล้ายกับกระเบื้อง มุงหลังคา ด้วยเหตุนใี้ นอดีตมนุษย์จงึ น�ำหนังฉลามมาใช้เป็นกระดาษทราย
ฉลามผู้จุดประกายไอเดียแก่ชุดว่ายน�ำ้