วัสดุที่เปลี่ยนแปลงรูปร่างได้หรือ Shape-Changing Materials เป็นวัสดุที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างได้เมื่อมีการกระตุ้นจากภายนอก เช่น ความร้อน แสง สนามแม่เหล็กหรือสารเคมี เทคโนโลยีสมัยใหม่ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญในการพัฒนาวัสดุเหล่านี้ให้มีความสามารถที่ซับซ้อนและหลากหลายยิ่งขึ้น เทคโนโลยีเหล่านี้ยังอยู่ในช่วงของการพัฒนาอย่างต่อเนื่องประยุกต์ใช้งานที่น่าสนใจมากยิ่งขึ้น
วัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ซึ่งเป็นสารขั้นสูงที่สามารถเปลี่ยนรูปร่าง ขนาด หรือโครงสร้างได้ตามสิ่งเร้าภายนอก วัสดุเหล่านี้กำลังขยายขอบเขตของนวัตกรรมในอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่การบินและอวกาศไปจนถึงการดูแลสุขภาพและเทคโนโลยีที่สวมใส่ได้
วัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าวัสดุอัจฉริยะหรือสสารที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ได้รับการออกแบบมาให้ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมได้อย่างไดนามิก สิ่งเร้าเหล่านี้ได้แก่:
อุณหภูมิ
แสงสว่าง
ไฟฟ้า
สนามแม่เหล็ก
ความชื้น
ความดัน
เมื่อตรวจพบการเปลี่ยนแปลง วัสดุจะเปลี่ยนสถานะทางกายภาพหรือโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น วัสดุแบนอาจม้วนงอ ขยายตัว หรือหดตัวขึ้นอยู่กับความร้อน วัสดุบางชนิดอาจกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้เมื่อเอาสิ่งเร้าออก ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่าความจำรูปร่าง
ตัวอย่างเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่เกี่ยวข้องกับวัสดุเปลี่ยนรูปร่าง:
พอลิเมอร์ผลึกเหลว (Liquid Crystalline Elastomers – LCEs): เป็นวัสดุคล้ายยางที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างเมื่อได้รับสิ่งกระตุ้น เช่น แสงหรือความร้อน นักวิจัยได้พัฒนา LCEs ให้สามารถเคลื่อนที่ได้หลายทิศทาง บิดตัว ยืดหดได้ และอาจนำไปใช้ในการสร้างหุ่นยนต์นิ่ม (Soft Robots) หรือกล้ามเนื้อเทียม
การพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing): เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนของวัสดุเปลี่ยนรูปร่างได้ตามต้องการ นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการพิมพ์ 3 มิติ LCEs ให้สามารถคลาน พับ หรือดีดตัวได้ทันทีหลังการพิมพ์ และยังสามารถควบคุมการเปลี่ยนแปลงรูปร่างด้วยสนามแม่เหล็ก
คิริงามิ (Kirigami-inspired Materials): แรงบันดาลใจจากศิลปะการตัดกระดาษคิริงามิ นักวิจัยได้พัฒนาวัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้หลากหลายมากขึ้น โดยการออกแบบรอยตัดบนวัสดุ ทำให้สามารถยืด หด หรือเปลี่ยนเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ตามต้องการ ซึ่งมีศักยภาพในการใช้งานด้านอากาศยาน หรือหุ่นยนต์นิ่ม
วัสดุจำรูป (Shape Memory Materials): วัสดุเหล่านี้สามารถกลับคืนสู่รูปร่างเดิมได้เมื่อได้รับสิ่งกระตุ้น เช่น ความร้อน หรือสนามแม่เหล็ก มีการพัฒนาวัสดุจำรูปที่เป็นเซรามิก ซึ่งอาจมีประโยชน์ในการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ในเครื่องยนต์ไอพ่น
วัสดุที่ปรับเปลี่ยนคุณสมบัติได้แบบดิจิทัล (Digitally Programmable Metamaterials): นักวิจัยได้พัฒนาวัสดุเมตา (Metamaterial) ที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างและคุณสมบัติทางกลได้แบบเรียลไทม์ โดยการควบคุมสถานะความแข็ง (อ่อนหรือแข็ง) ของหน่วยย่อยภายในโครงสร้าง ทำให้วัสดุมีความสามารถในการจำรูป ตอบสนองต่อแรงกด หรือปรับอัตราส่วนปัวซอง (Poisson’s ratio) ได้ตามต้องการ ซึ่งอาจนำไปใช้ในการดูดซับแรงกระแทก หรือการส่งผ่านแรงแบบปรับได้
ประเภทของวัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้
โลหะ ผสมที่จำรูปร่างได้ (SMA)
โลหะเช่นไนตินอลที่คืนรูปร่างเดิมเมื่อได้รับความร้อน ใช้ในสเตนต์ทางการแพทย์ กรอบแว่นตา และหุ่นยนต์
พอลิเมอร์จำรูปร่าง (SMP)
พลาสติกที่สามารถขึ้นรูปและ “จำ” รูปร่างเดิมได้ภายหลังภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม มีน้ำหนักเบาและเหมาะสำหรับการใช้งานด้านอวกาศและชีวการแพทย์
ไฮโดรเจล
วัสดุที่ดูดซับน้ำและพองตัว มักใช้ในหุ่นยนต์อ่อน ระบบส่งยา และวิศวกรรมเนื้อเยื่อ
พอลิเมอร์อิเล็กโตรแอคทีฟ (EAP)
พลาสติกที่โค้งงอหรือขยายตัวเมื่อสัมผัสกับกระแสไฟฟ้า มักใช้ในกล้ามเนื้อเทียมและเซ็นเซอร์
อีลาสโตเมอร์คริสตัลเหลว (LCE)
วัสดุอ่อนที่เปลี่ยนรูปร่างเมื่อสัมผัสกับความร้อนหรือแสง มีการใช้งานที่น่าสนใจในตัวกระตุ้นแบบอ่อนและออปติกแบบปรับได้
การประยุกต์ใช้งานข้ามอุตสาหกรรม
การดูแลสุขภาพ : สเตนต์และแผ่นปลูกถ่ายที่สามารถปรับให้เหมาะกับความต้องการของร่างกาย
การบินและอวกาศ : ปีกหรือแผงที่ปรับการไหลของอากาศและลดแรงต้าน
เทคโนโลยีสำหรับผู้บริโภค : อุปกรณ์ที่มีจอแสดงผลแบบพับได้หรือปรับได้
โครงสร้าง : วัสดุและโครงสร้างที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้และปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อม
แฟชั่น : เสื้อผ้าที่ปรับตามอุณหภูมิหรือการเคลื่อนไหวของร่างกาย
ถนนข้างหน้า
เมื่อการวิจัยดำเนินไป วัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้จะมีราคาถูกลง ใช้งานได้หลากหลาย และประหยัดพลังงานมากขึ้น นวัตกรรมในอนาคตอาจรวมถึงเฟอร์นิเจอร์ที่ประกอบเองได้ยานอวกาศที่มีพื้นผิวที่ปรับเปลี่ยนได้หรือเทคโนโลยีสวมใส่ที่ปรับให้เข้ากับร่างกายของคุณแบบเรียลไทม์
วัสดุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ถือเป็นก้าวกระโดดที่น่าสนใจในศาสตร์ด้านวัสดุ ด้วยการเลียนแบบธรรมชาติและตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมอย่างชาญฉลาด วัสดุเหล่านี้จึงเปิดประตูสู่โลกที่สภาพแวดล้อมทางกายภาพสามารถปรับตัวและเปลี่ยนแปลงได้ เช่นเดียวกับเทคโนโลยีนั่นเอง