สัมภาษณ์และเรียบเรียงโดย งานพัฒนาคุณภาพการเผยแพร่เทคโนโลยีวัสดุ
ฝ่ายเผยแพร่เทคโนโลยี
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) มีทีมวิจัยด้านการออกแบบเพื่อการเป็นอยู่ที่ดี เป้าหมายของทีมนี้คือ การมุ่งเน้นการออกแบบผลิตภัณฑ์และการสร้างนวัตกรรมเพื่อยกระดับคุณภาพชีวิตของมนุษย์ โดยใช้กระบวนการออกแบบที่มีผู้ใช้เป็นศูนย์กลางร่วมกับการใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสม ทีมวิจัยมีความเชี่ยวชาญในหลากหลายสาขา เช่น การออกแบบ การพัฒนาผลิตภัณฑ์ การออกแบบเชิงวิศวกรรม การออกแบบเครื่องจักรกล วิศวกรรมย้อนกลับ วิศวกรรมชีวการแพทย์ ชีวกลศาสตร์ การยศาสตร์ กายวิภาคของมนุษย์ กายภาพบำบัด วัสดุศาสตร์ ฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ประยุกต์ การออกแบบการทดลอง ปัญญาประดิษฐ์ และ musculoskeletal modeling
นับตั้งแต่ปี พ.ศ.2565 ประเทศไทยมีประชากรที่มีอายุ 60 ปีขึ้นไปมากกว่าร้อยละ 20 ของประชากรทั้งประเทศ นั่นหมายถึงไทยได้เข้าสู่สังคมสูงอายุโดยสมบูรณ์ การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อสร้างนวัตกรรมที่ช่วยส่งเสริมให้คนในประเทศมีสุขภาพและความเป็นอยู่ที่ดี และการสนับสนุนกลุ่มผู้สูงอายุดังกล่าวให้สามารถใช้ชีวิตได้อย่างเป็นปกติ จึงเป็นส่วนที่มีบทบาทสำคัญในการสร้างความแข็งแกร่งให้กับประเทศ การออกแบบชุดเพื่อช่วยเหลือการเคลื่อนไหวให้กับกลุ่มดังกล่าว เป็นหนึ่งในตัวอย่างของความท้าทายในการสร้างนวัตกรรมผ่านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของศาสตร์หลายแขนงประยุกต์เข้าด้วยกัน เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์เพื่อยกระดับคุณภาพชีวิตของคนไทย
บทสัมภาษณ์นี้มุ่งเน้นที่เทคโนโลยี Musculoskeletal Modeling ซึ่ง ดร.ธนรรค อุทกะพันธ์ นักวิจัยในทีมวิจัยด้านการออกแบบเพื่อการเป็นอยู่ที่ดีมีความเชี่ยวชาญ เทคโนโลยีนี้เป็นเครื่องมือสำหรับวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของร่างกาย โดยจะนำข้อมูลที่ได้จากโมเดลไปใช้ออกแบบอุปกรณ์สำหรับช่วยในการเคลื่อนไหวของร่างกาย หรือชุด เอ็กโซสเกเลตัน (exoskeleton) รวมถึงใช้ประเมินประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ออกแบบด้วย
รู้จัก Musculoskeletal Modeling
ดร.ธนรรค กล่าวว่า “Musculoskeletal Modeling เป็นเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ช่วยที่เข้ามามีบทบาทในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่มีคนเข้ามาเกี่ยวข้อง หรือมีเป้าหมายในการส่งผลด้านเมคานิกส์ต่างๆ กับร่างกาย เป็นวิธีการจำลองเชิงตัวเลข (numerical simulation) แบบมัลติบอดี้ (multibody simulation) เพื่อศึกษาอันตรกิริยาระหว่างการเคลื่อนไหวของร่างกาย แรงและสภาวะภายนอก แรงของกล้ามเนื้อ แรงปฏิกิริยาบริเวณต่างๆ เป็นต้น”
“แบบจำลองนี้ประกอบด้วย 2 ส่วนหลักคือ 1) กล้ามเนื้อที่มีผลต่อการเคลื่อนไหว (skeletal muscles) ซึ่งจำลองในลักษณะระบบของสปริงประกอบขึ้นเป็นแบบจำลองกล้ามเนื้อ (muscle model) เป็นส่วนที่บรรยายค่าความแข็งตึง (stiffness) ของระบบแบบจำลอง และ 2) โครงกระดูกต่างๆ เป็นวัตถุแข็งเกร็ง (rigid body) ที่ทำหน้าที่ยึดโครงสร้างต่างๆ ของร่างกายไว้ และเป็นส่วนที่บรรยายมวลและความเฉื่อยของระบบ การเชื่อมต่อระหว่างโครงกระดูกต่างๆ จะมีข้อต่อ (joints) ที่มีการจำกัดการเคลื่อนไหวจากการเคลื่อนที่ ซึ่งในเมคานิกส์คือ ทั้งหมด 6 ลักษณะ (degree of freedom) ได้แก่ 3 translational และ 3 rotational motions ให้เหลือลักษณะเพียงบางประการ เช่น ในกรณี flexion/extension หรือการงอเข้า–ออกของข้อต่อบางข้อจะมี degree of freedom คือ 1 เป็นต้น และแบบจำลองกล้ามเนื้อจะยึดเข้ากับโครงกระดูกต่าง ๆ ตามหลักกายวิภาคศาสตร์”
ส่วนประกอบต่างๆ ของ musculoskeletal modeling
“Musculoskeletal Modeling เป็นการนำองค์ความรู้ของระบบมัลติบอดี้ (multibody system) มารวมกับกายวิภาคศาสตร์ (anatomy) เพื่อศึกษาการเคลื่อนไหวโดยการเก็บข้อมูลการเคลื่อนไหว (motion capture) ซึ่งจะได้ข้อมูลพลังงานต่างๆ (kinetics) และข้อมูลของการเคลื่อนไหว (kinematics) ทำให้รู้ข้อมูลของกล้ามเนื้อในเชิงกายวิภาคลงลึกในระดับเส้นใยของกล้ามเนื้อ เช่น มีแรงเกิดขึ้นระดับใด ทั้งนี้การวัดค่าและการทำนายทำได้ยากเพราะร่างกายมีความซับซ้อนสูง และในหลายกรณีไม่สามารถวัดค่าที่แท้จริงได้”
ดร.ธนรรค อธิบายเพิ่มเกี่ยวกับระบบการเก็บข้อมูลการเคลื่อนไหวว่า “ท่าทางการเคลื่อนไหวที่ใช้ในการวิเคราะห์แบบจำลองสามารถใช้ข้อมูลจากการเก็บข้อมูลการเคลื่อนไหวได้โดยตรง ปัจจุบันการเก็บข้อมูลการเคลื่อนไหวแยกเป็น 3 ระบบ คือ 1) การใช้กล้อง 3 มิติในการเก็บข้อมูลที่มีความแม่นยำค่อนข้างสูงเก็บข้อมูลจากการติดจุดมาร์เกอร์ (marker) ต่างๆ ของร่างกาย และบันทึกการเคลื่อนไหว แต่ระบบนี้มีข้อจำกัดในการติดตั้งอุปกรณ์ 2) การใช้เซ็นเซอร์ (Inertial Measurement Unit, IMU) ไปติดตามส่วนต่างๆ ของร่างกาย และเก็บข้อมูลความเร่ง ระบบจะประมวลผลและนำไปอินทิเกรตกลับมาเป็นข้อมูลตำแหน่งเช่นเดียวกับกล้อง 3 มิติ วิธีนี้สะดวกกว่าการใช้กล้อง 3 มิติเพราะสามารถใช้งานภายนอกได้ และ 3) เทคโนโลยีการใช้ปัญญาประดิษฐ์ตรวจจับรูปร่างของมนุษย์เพื่อวิเคราะห์และเก็บข้อมูลตามจุดต่างๆ ที่ต้องการ เป็นระบบใหม่เรียกว่า markerless โดยในปัจจุบัน ทีมวิจัยใช้ 2 ระบบแรกสำหรับการวิเคราะห์ และทำการศึกษาเทคโนโลยีในระบบที่ 3”
เปรียบเทียบท่าทางการยกในชีวิตจริงและแบบจำลอง
ดร.ธนรรค กล่าวว่า “เราใช้ Musculoskeletal Modeling ในการออกแบบอุปกรณ์เพื่อช่วยพยุงร่างกายในจังหวะการเคลื่อนไหว โดยอุปกรณ์นี้จะช่วยป้องกันการบาดเจ็บ แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะไม่สามารถให้ค่าที่แท้จริงของสิ่งที่เราตรวจวัด แต่สามารถประมาณค่าได้สำหรับใช้เป็นแนวทาง เช่น ใช้ประเมินแรงกดทับ (compression force) ที่เกิดขึ้นบริเวณกระดูก L4 และ L5 ซึ่งเป็นกระดูกเชิงกรานตรงบริเวณหลังส่วนล่าง (lower back) ใกล้ก้นกบที่มักเกิดการบาดเจ็บบ่อยครั้ง”
เพื่อให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น ดร.ธนรรคได้ยกตัวอย่างการคำนวณแรงภายในที่เกิดขึ้น (internal force calculation) ของท่าทางการยกของ ดังนี้
การคำนวณแรงภายในที่เกิดขึ้น (internal force calculation) ของท่าทางการยกของ
ภาพนี้แบ่งเป็น 4 เฟสเรียงลำดับจากซ้ายไปขวา ได้แก่ เฟส 1: การก้มลงแบบไม่มีน้ำหนัก เฟส 2: การยกของแบบมีน้ำหนักแล้วลุกขึ้นยืน เฟส 3: การวางของลงแบบมีน้ำหนัก และเฟส 4: การลุกขึ้นยืนโดยไม่มีน้ำหนัก ถ้าต้องการเปรียบเทียบระหว่างมีน้ำหนักกับไม่มีน้ำหนักก็ให้เปรียบเทียบระหว่างเฟส 1 กับเฟส 3 หรือ เฟส 2 กับเฟส 4
ดร.ธนรรค อธิบายว่า “ถ้าต้องการออกแบบอุปกรณ์ที่จะช่วยยืดระหว่างขากับลำตัว (chunk extension) หรือข้อสะโพก (hip extension) โดยประเมินอิทธิพลการออกแรงช่วยของอุปกรณ์ที่มีผลต่อร่างกาย และดูว่าแรงปฏิกิริยาที่เกิดบริเวณข้อต่อมีค่าเท่าไหร่เพื่อชดเชยแรงนั้น ในภาพเส้นกราฟแต่ละสีคืออุปกรณ์ที่มีพารามิเตอร์เพื่อชดเชยแรงที่แตกต่างกัน โดยกราฟเส้นสีน้ำเงินคือ แรงภายในที่เกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีอุปกรณ์เอ็กโซสเกเลตัน หรือเป็นการเคลื่อนไหวปกติ ส่วนกราฟเส้นสีแดงคือ อุปกรณ์ที่ปรับค่าพารามิเตอร์เพื่อชดเชยการออกแรงในแบบอุดมคติ หากสังเกตในจังหวะที่ยกของแบบมีน้ำหนักแล้วลุกขึ้นยืนค่าแรงกดทับบริเวณ L4 และ L5 ของเส้นกราฟสีน้ำเงินจะพุ่งสูงถึง 2000 นิวตัน (N) ในขณะที่ถ้าใช้อุปกรณ์เอ็กโซสเกเลตันที่ชดเชยแรงแบบอุดมคติจะสามารถลดแรงกดทับที่เกิดขึ้นเหลือเพียงประมาณ 600-700 นิวตัน คิดเป็นเพียงระดับ 1 ใน 3 ของระดับเดิม หรือร้อยละ 30 เท่านั้น ด้วยเหตุนี้ เราจึงพยายามออกแบบอุปกรณ์เอ็กโซสเกเลตันให้ใกล้เคียงกับกราฟเส้นสีแดงมากที่สุด”
“จุดเด่นของการใช้เทคโนโลยี musculoskeletal modeling คือความละเอียดของการวิเคราะห์ ในภาพสามารถลงรายละเอียดการเคลื่อนไหวเป็นเฟสต่างๆ ซึ่งหากพิจารณาเส้นกราฟต่างๆ ซึ่งเป็นตัวแทนของแรงที่อุปกรณ์ออกแรงช่วยต่างกัน จะพบว่าส่งผลกับร่างกายแตกต่างกันออกไป เส้นสีเทอร์ควอยซ์ ในเฟสแรกอุปกรณ์ไม่ได้ชดเชยแรงมากนัก แต่ถ้าเทียบกับสีน้ำเงินถือว่าต่ำกว่า เมื่อเข้าสู่เฟสที่ 2 ค่าแรงกดทับเริ่มลดลงใกล้เคียงกับสีแดง ส่วนเส้นกราฟสีเหลืองในเฟสที่ 2 สามารถลดแรงกดทับได้ประมาณร้อยละ 40 ซึ่งถือว่าช่วยแต่ยังไม่มากเท่าในอุดมคติ ส่วนกราฟเส้นสีฟ้าเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการให้เกิดขึ้น เนื่องจากในเฟสแรกมีค่าแรงกดทับสูงกว่าเส้นกราฟสีน้ำเงิน นั่นหมายถึงมีแรงต้านเกิดขึ้น ทำให้ผู้สวมใส่อุปกรณ์ต้องออกแรงเพื่อเอาชนะแรงต้าน ซึ่งมีความเสี่ยงต่อการบาดเจ็บได้ แม้ค่าแรงกดทับในเฟสที่ 2 จะต่ำกว่าสีน้ำเงินแต่ก็ยังสูงกว่าสีแดงค่อนข้างมาก การออกแบบให้อุปกรณ์มีการออกแรงในระดับนี้จึงเป็นสิ่งที่ควรหลีกเลี่ยง เป็นต้น นี่คือสิ่งที่ Musculoskeletal Modeling สามารถทำนายได้”
การประยุกต์ใช้งาน
นอกจากจะสามารถใช้ Musculoskeletal Modeling ในการออกแบบอุปกรณ์เอ็กโซสเกเลตันแล้ว เทคโนโลยีนี้ยังใช้ในการปรับอันตรกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างคนกับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น การพายเรือควรมีท่าทางอย่างไร หรือคนควรมีท่านั่งอย่างไร เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด โดยกล้ามเนื้ออ่อนล้าน้อยที่สุด เทคโนโลยีนี้จึงมักถูกนำไปใช้ในวิทยาศาสตร์การกีฬา หรือการออกแบบต่างๆ เช่น เก้าอี้นั่งที่ถูกต้องตามหลักการยศาสตร์ (ergonomics) รวมทั้งอุปกรณ์ฟิตเนสต่างๆ เป็นต้น
ความสามารถของทีมวิจัย
การใช้ Musculoskeletal Modeling ในการประเมินประสิทธิภาพอุปกรณ์เอ็กโซสเกเลตัน และการวิเคราะห์ท่าทางเพื่อศึกษาความเมื่อยล้าของกล้ามเนื้อ
การใช้ซอฟต์แวร์ XOMoCap ที่พัฒนาขึ้นเองในการประเมินผลที่อยู่ในขอบเขตของการเก็บข้อมูล เช่น การแปลผล การวิเคราะห์การเคลื่อนไหว (motion capture analysis) ที่ไม่จำเป็นต้องเชื่อมต่อกับ Musculoskeletal Modeling
ข้อมูลเพิ่มเติม
สนใจรายละเอียดติดต่อ
สุนทรีย์ โฆษิตชัยยงค์
งานประสานธุรกิจและอุตสาหกรรม ฝ่ายพัฒนาธุรกิจ
โทรศัพท์ 0 2564 6500 ต่อ 4783
อีเมล: soontaree.kos@mtec.or.th
ขอบคุณข้อมูลจาก
ดร.ธนรรค อุทกะพันธ์ นักวิจัย ทีมวิจัยการออกแบบเพื่อการเป็นอยู่ที่ดี กลุ่มวิจัยการออกแบบเชิงวิศวกรรมและการคำนวณ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)
