Body Electronics - อิเล็กทรอนิกส์บนผิวกายมนุษย์ (ตอนที่ 4)

เรากำลังอาศัยอยู่ในยุคแห่งการรวมเข้าเป็นหนึ่งระหว่างมนุษย์ กับ จักรกล (Man-Machine Integration) เป็นยุคที่จิตใจ กับ วัสดุ จะเข้ามาบรรจบกัน (Mind-Materials Convergence) อย่างที่ผมเรียนท่านผู้อ่านเสมอๆ ล่ะครับ กระบวนทัศน์ใหม่นี้ ต้องการการเปิดกว้างทางความคิดให้มากขึ้น ต้องการคนที่ทำงานข้ามศาสตร์ ข้ามสาขามากขึ้น เมื่อศาสตร์หลากสาขามาบรรจบ ความคิดจะบรรเจิด และจะบังเกิดความก้าวหน้าที่คาดไม่ถึงครับ ....

เมื่อประมาณปลายปี 2008 มีการตีพิมพ์ผลงานวิจัยหนึ่ง โดยนักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัยบริติช โคลัมเบีย (University of British Columbia) ที่เปิดแนวคิดเกี่ยวกับการนำเอาน้ำตาลกลูโคสที่อยู่ในกระแสเลือดของมนุษย์ มาใช้เป็นพลังงานป้อนให้แก่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่ฝังอยู่ภายในหรือบนผิวกายมนุษย์ (รายละเอียดเต็มเพื่อการอ้างอิงคือ C.-P.-B. Siu, Mu Chiao, "A Microfabricated PDMS Microbial Fuel Cell", Journal of Microelectromechanical Systems 17 (2008) pp. 1329-1341.) งานวิจัยนี้ ฉายภาพให้เห็นอนาคตของการนำเอาพลังงานจากร่างกายของเราเอง มาหล่อเลี้ยงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ติดตั้งเข้าไปในร่างกายของเรา แทนที่จะใช้แบตเตอรีกระดุม เหมือนที่ทำกันอยู่ในปัจจุบัน ก่อนหน้านี้ ผมเคยเขียนเรื่องของหุ่นยนต์ที่รับประทานอาหารอินทรีย์ แบบเดียวกับสิ่งมีชีวิตทั่วไป ท่านผู้อ่านจะเห็นได้ว่า แนวโน้มของเทคโนโลยีในอนาคตกำลังเดินไปทางนี้ อีกหน่อย เราจะต้องทานข้าวร่วมกับจักรกลแล้วครับ ....

ผลงานวิจัยที่เสนอนั้น เป็นการนำเอาเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพ (Microbial Fuel Cell) ซึ่งบรรจุยีสต์ชนิดเดียวกับที่ใช้หมักเบียร์หรือเบเกอรี ซึ่งมีชื่อว่า Saccharomyces cerevisiae โดยเจ้ายีสต์ตัวนี้จะย่อยน้ำตาลกลูโคสในเลือดของเรา โดยจะได้อิเล็กตรอนออกมา นักวิจัยได้ใช้สารเคมีชนิดหนึ่งซึ่งสามารถผ่านเข้าไปในเซลล์ของยีสต์ แล้วไปขโมยเอาอิเล็กตรอนที่ผลิตได้ออกมาใช้งาน โดยมันจะเคลื่อนเข้าหาขั้วลบเพื่อไปปล่อยอิเล็กตรอน ในขณะที่ไฮโดรเจนไอออน จากเซลล์ของยีสต์จะเคลื่อนเข้าหาขั้วบวก ก่อให้เกิดกระแสไหลไปเลี้ยงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้

อนาคตเราคงจะได้เห็นว่า คนอ้วนจะกลายเป็นคนได้เปรียบ เพราะเขาหรือเธอสามารถใช้โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์โน๊ตบุ๊ค หรือ กล้องถ่ายรูป ได้นานๆ ด้วยการอาศัยพลังงานจากพุงและต้นขา ....

The Future of Agriculture - อนาคตของเกษตรกรรม (ตอนที่ 3/8)

หายไปหลายวันเลยครับ ผมเพิ่งเดินทางกลับมาจากจังหวัดเชียงใหม่เมื้อเช้านี้เองครับ ทริปนี้เดินทางไปลำปาง ต่อไปที่เชียงของ แล้วไปทำการทดลอง E-nose ในฟาร์มหมูที่เวียงป่าเป้า จากนั้นมาเก็บอุปกรณ์วิจัยกลับจากไร่ชาที่ จ.เชียงราย หลังจากนั้นก็ไปเป็นวิทยากรบรรยายในงาน The Wine Workshop ที่เชียงใหม่ครับ ผมไปทางภาคเหนือเที่ยวนี้ เห็นต้นข้าวกำลังอิ่มน้ำเขียวขจี เห็นแล้วก็อดเขียนถึงเรื่องเกษตรไม่ได้ นั่งรถจากเชียงของเลาะริมโขงมาทางเชียงแสน เหลือบไปเห็นโฆษณาริมทางเกี่ยวกับปุ๋ย อวดอ้างสรรพคุณอย่างนั้นอย่างนี้ ผมเคยได้ยินมาว่า ที่เกษตรกรไทยไม่รวยสักทีก็มาจากเรื่อง 2 เรื่องครับ ก็คือ ปุ๋ย กับ เหล้า ไม่รู้จริงหรือเปล่า แต่พอเห็นร้านปุ๋ยขายกันตลอดข้างทาง ก็อดคิดไม่ได้ครับ

ผู้เชี่ยวชาญเขาเชื่อว่า 1 ใน 8 อนาคตเกษตรกรรมก็คือการไม่ใช้ปุ๋ยครับ แต่จะใช้จุลชีพที่สามารถสร้างเสริมความอุดมสมบูรณ์ให้แก่ดินแทนปุ๋ย ศาสตราจารย์เรดดี้ (Professor C.A. Reddy) สังกัดมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมิชิแกน (Michigan State University) ได้ทำการศึกษาวิจัยแบคทีเรีย ฟังไจ และจุลชีพอื่นๆในดิน จนได้สูตรปุ๋ยที่สามารถนำไปบำรุงดินแทนปุ๋ยเคมีสูตรต่างๆ ได้ ท่านกล่าวว่า "สูตรจุลชีพมีข้อดีมากมายครับ มันช่วยลดการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากการผลิตปุ๋ย จุลชีพเหล่านี้จะทำให้พืชสามารถใช้ไนโตรเจนจากธรรมชาติเพื่อการเจริญเติบโตได้ นอกจากนี้แล้ว พวกมันยังช่วยให้พืชต้านทานต่อโรค แถมยังช่วยในการถ่ายเทแร่ธาตุสำคัญอช่น ฟอสฟอรัส ให้ง่ายขึ้น และที่สำคัญ สูตรจุลชีพมีประสิทธิภาพสูงมากรวมทั้งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม"

ศาสตราจารย์เรดดี้ได้ทำการทดสอบสูตรปุ๋ยจุลชีพกับพืชหลากหลายชนิด ไม่ว่าจะเป็น พริกไทย ข้าวโพด มะเขือเทศ ถั่วเหลือง หรือแม้แต่หญ้าสำหรับผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ ในกรณีของมะเขือเทศนั้น สูตรปุ๋ยจุลชีพช่วยเพิ่มผลผลิตได้ 25-90% ซึ่งเป็นตัวเลขที่น่าประทับใจ ส่วนการทดลองนำไปใช้จริงของเกษตรกรที่ปลูกฝ้าย พบว่าสูตรปุ๋ยจุลชีพเพิ่มผลผลิตได้ 50% ทำให้ประธานบริษัทที่นำผลงานวิจัยชิ้นนี้ไปใช้เชิงพาณิชย์กล่าวยกย่องผลงานวิจัยชิ้นนี้ว่าเยี่ยมยอดจริงๆ

วันหลังมาคุยกันต่อนะครับ ........

Electromicrobiology - จุลชีววิทยาอิเล็กทรอนิกส์ (ตอนที่ 3)

ก่อนหน้านี้ผมเคยเล่าให้ฟังในเรื่องของหุ่นยนต์ที่สามารถหากินเองได้ หุ่นยนต์ประเภทนี้จะมีเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (Microbial Fuel Cell) ซึ่งจะเปลี่ยนชีวมวลไปเป็นพลังงานไฟฟ้าป้อนให้หุ่นยนต์ ซึ่งมีทั้งประเภทที่กินสัตว์ และ หุ่นยนต์ที่กินแต่มังสวิรัติ

แบคทีเรียเป็นชีวิตตัวน้อยที่น่าทึ่งครับ ใน ตอนแรกของบทความชุดนี้ ผมได้พูดถึงความสามารถในการใช้อิเล็กตรอน เพื่อส่งข้อมูลและพลังงานของแบคทีเรีย ส่วนตอนที่สองนั้น พูดถึงความสามารถในการประมวลผลของมัน ส่วนบทความตอนที่สามนี้ผมจะมาเล่าให้ฟังเกี่ยวกับเรื่องการผลิตไฟฟ้าของมัน ซึ่งก็จะเป็นประโยชน์ในการนำไปทำเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ครับ

เมื่อสักเดือนมิถุนายน 2552 ที่ผ่านมามีการรายงานในวารสารวิจัย Biosensors and Bioelectronics (รายละเอียดเต็มเพื่อการอ้างอิงคือ Hana Yi, Kelly P. Nevin, Byoung-Chan Kim, Ashely E. Franks, Anna Klimes, Leonard M. Tender and Derek R. Lovley, "Selection of a Variant of Geobacter sulfurreducens with Enhanced Capacity for Current Production in Microbial Fuel Cells", Biosensors and Bioelectronics (2009) vol. 24, pp. 3498-3503.) โดยเนื้อหาหลักของรายงานนี้ก็คือการคัดเลือกสายพันธุ์ของแบคทีเรียชนิดหนึ่งที่มักพบในโคลน ซึ่งสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าบนเส้นขนเล็กๆของมันได้ คณะวิจัยได้นำ Geobacter สายพันธุ์พื้นเมืองมาพัฒนาต่อด้วยการเลี้ยงแบคทีเรียบนขั้วกราไฟต์ ซึ่งจะป้อนกระแสไฟฟ้าแรงต่ำ ขนาดความดัน 400 มิลลิโวลต์ เข้าไปสร้างแรงกดดันให้แบคทีเรียหาทางถ่ายเทอิเล็กตรอนที่เกินมานี้ออกไป ผลปรากฏว่า ภายในระยะเวลา 5 เดือน แบคทีเรียรุ่นต่อๆมา ได้วิวัฒนาการจนมีความสามารถในการผลิตประจุได้มากกว่าพันธุ์พื้นเมืองถึง 8 เท่า

แบคทีเรียนี้มีชื่อว่า Geobacter ซึ่งศาสตราจารย์ ลอฟลี่ (Lovley) ผู้เป็นหัวหน้าคณะวิจัยชุดนี้ เป็นผู้ค้นพบแบคทีเรียชนิดนี้เมื่อปี ค.ศ. 1987 Geobacter มีขนรอบๆตัว ซึ่งมีขนาดเล็กเพียง 3 - 5 นาโนเมตรเท่านั้น ซึ่งขนนาโนนี้เองคือความลับในการผลิตไฟฟ้าของแบคทีเรียครับ
งานวิจัยทางด้านจุลชีววิทยาอิเล็กทรอนิกส์ยังมีอะไรน่าสนใจอีกเยอะครับ ตอนนี้ผมทำงานอยู่ในไร่องุ่นที่ปากช่อง ว่างๆ ผมจะมาเล่าให้ฟังอีกครับ

(ภาพบน - ดร. ฮานา หยี กำลังสาธิตการทำงานในการจ่ายกระแสไฟฟ้าของแบคทีเรีย Geobacter)

Electromicrobiology - จุลชีววิทยาอิเล็กทรอนิกส์ (ตอนที่ 2)

วันนี้ผมขอมาเล่าต่อในเรื่องของ Electromicrobiology นะครับ ศาสตร์ทางด้านนี้กำลังจะกลายมาเป็นที่สนใจมากขึ้นเรื่อยๆ เครก เวนเตอร์ (Craig Venter) นักพันธุศาสตร์ชื่อดัง ผู้ที่ประสบความสำเร็จในการถอดรหัสพันธุกรรมของมนุษย์ได้เป็นคนแรก เมื่อ ค.ศ. 2001 ได้เคยกล่าวไว้ว่า "เรามียีนอยู่ 20 ล้านยีนในมือ ซึ่งผมจะเรียกว่า องค์ประกอบการออกแบบแห่งอนาคต เราสามารถใช้สิ่งเหล่านี้สร้างสิ่งมีชีวิตขึ้นมา ไม่มีข้อจำกัด ขึ้นอยู่กับจินตนาการเท่านั้น" ล่าสุด เวนเตอร์ได้รับการสนับสนุนทางการเงินจากบริษัท Exxon Mobil เป็นจำนวนเงินสูงถึง 600 ล้านเหรียญ (ประมาณ 21,000 ล้านบาท) เพื่อพัฒนาสิ่งมีชีวิตสายพันธุ์ใหม่ (Synthetic Organism) ที่สามารถผลิตเชื้อเพลิงเหลว สำหรับยานยนตร์ต่างๆ โดยไม่ต้องมีการดัดแปลงเครื่องยนต์

จุลชีววิทยาสมัยใหม่ กำลังจะเป็นทางออกหลายๆ เรื่องครับ ไม่ว่าจะเป็น การผลิตพลังงาน การผลิตยา และที่คาดไม่ถึงคือ การนำเอาสิ่งมีชีวิตเล็กๆ มาทำงานทางด้านประมวลผล .....

เมื่อเร็วๆนี้เอง ได้มีการตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่องหนึ่งในวารสาร Journal of Biological Engineering (รายละเอียดเต็มคือ Baumgardner J, Acker K, Adefuye O, Crowley ST, Deloache W, Dickson JO, Heard L, Martens AT, Morton N, Ritter M, Shoecraft A, Treece J, Unzicker M, Valencia A, Waters M, Campbell AM, Heyer LJ, Poet JL, Eckdahl TT, "Solving a Hamiltonian Path Problem with a bacterial computer", Journal of Biological Engineering 2009, 3:11doi:10.1186/1754-1611-3-11) ซึ่งได้เสนอแนวคิดในการนำแบคทีเรียมาทำหน้าที่ประมวลผล โดยคณะวิจัยนี้เรียกเจ้าแบคทีเรียประมวลผลนี้ว่า Bacterial Computer ผมขอตั้งชื่อไทยว่า "คอมพิวเตอร์แบคทีเรีย" ก็แล้วกันครับ นักวิจัยได้ทดลองความสามารถในการแก้โจทย์ที่เรียกว่า Hamiltonian Path ว่าเจ้าคอมพิวเตอร์แบคทีเรียที่สร้างขึ้นมานี้จะสามารถแก้โจทย์นี้ ได้หรือไม่

Hamiltonian Path เป็นปัญหาโจทย์ที่เป็นที่รู้จักกันดีในนามของ The Salesman Problem ยกตัวอย่างก็คือ ถ้าจะให้เซลล์แมนคนหนึ่งเดินทางไปขายของในประเทศฝรั่งเศส โดยต้องเดินทางไปขายของที่เมือง 10 เมือง โดยมีข้อแม้ว่าจะต้องผ่านแต่ละเมืองเพียงครั้งเดียวเท่านั้น รวมระยะทางทั้งหมด ต้องทำให้ได้ระยะทางใกล้ที่สุด ความยากของโจทย์ข้อนี้ก็คือ เซลล์แมนคนนี้มีทางเลือกถึง 3.5 ล้านทางเลือก โดยมีคำตอบที่ถูกเพียง 1 คำตอบครับ

แต่คอมพิวเตอร์แบคทีเรียของคณะวิจัยนี้ ได้โจทย์ Hamiltonian Path ที่ง่ายกว่ามากครับ คือเซลล์แมนมีเมืองที่จะผ่านเพียง 3 เมืองครับ โดยนักวิจัยได้ดัดแปลง DNA ของแบคทีเรีย ส่วนทางเลือกในการผ่านเมืองจากถูกเข้ารหัสด้วยการรวมตัวกันของยีน ที่จะทำให้แบคทีเรียเรืองแสงเป็นสีแดง หรือ เขียว ซึ่งหากแบคทีเรียตัวใดเรืองแสงสีเหลือง (แดง + เขียว) ก็จะถือเป็นคำตอบที่ถูกต้อง ผลก็คือนักวิจัยพบว่ามีแบคทีเรียส่วนหนึ่งที่สามารถค้นหาคำตอบนี้ได้ นี่เป็นจุดเริ่มต้นในการใส่โจทย์ที่ยากๆ ให้แก่แบคทีเรียในอนาคตครับ

ยังมีเรื่องราวเกี่ยวกับศาสตร์ทางด้านนี้มาเล่าต่อวันหลังนะครับ ..................

Electromicrobiology - จุลชีววิทยาอิเล็กทรอนิกส์

วันนี้ผมขอแนะนำศาสตร์อีกศาสตร์หนึ่งที่กำลังเป็นที่สนใจในวงการวิจัยทางด้านจุลชีววิทยา ซึ่งเป็นศาสตร์ที่ศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับจุลชีพ ศาสตร์ที่ผมจะแนะนำนี้มีชื่อว่า Electromicrobiology ผมคิดว่าในเมืองไทยน่าจะยังไม่มีการบัญญัติศัพท์กันนะครับ ดังนั้นผมขอเรียกมันว่า จุลชีววิทยาไฟฟ้า หรือ จุลชีววิทยาอิเล็กทรอนิกส์ ก็แล้วกันนะครับ จริงๆแล้วอย่างหลังอาจจะเหมาะสมกว่า เพราะในอนาคตศาสตร์นี้จะมีความสำคัญต่อวงการแพทย์ ซึ่งมันจะช่วยทำให้เข้าใจการสื่อสารระหว่างเซลล์ ทำให้เราสามารถพัฒนาเทคโนโลยีที่จะเชื่อมต่อสิ่งมีชีวิตให้เข้ากับจักรกลได้ (Life-Machine Integration)

ก่อนหน้านี้ ถ้าจำไม่ผิด ผมเคยพูดถึงเรื่อง Quorum Sensing มาบ้าง ศาสตร์นี้เป็นเรื่องของการสื่อสารระหว่างสิ่งมีชีวิตเล็กๆ เพื่อที่จะทำงานส่วนรวมร่วมกัน โดยเฉพาะแบคทีเรีย มันเป็นสิ่งมีชีวิตที่พูดไม่ได้ ดังนั้นจึงต้องอาศัยช่องทางการสื่อสาร โดยอาศัยสารเคมี ซึ่งแบคทีเรียจะคุยกัน ประสานงานกัน โดยใช้ภาษาที่สร้างขึ้นมาจากความเข้มข้นของสารเคมีนี้ ศาสตร์นี้ก็กำลังเป็นที่สนใจและบูมในสาขาจุลชีววิทยาเหมือนกันครับ เพราะเรายังรู้เกี่ยวกับเรื่องนี้น้อยมาก ความรู้ที่ได้จากศาสตร์นี้จะช่วยทำให้เราสามารถสร้างหุ่นยนต์ที่คุยกันผ่านภาษาทางเคมีได้ครับ วันหลังผมจะทยอยนำมาเล่าก็แล้วกันครับ

ศาสตร์ทางด้าน Electromicrobiology ก็คล้ายๆกับ Quorum Sensing ครับ ต่างกันตรงที่ แบคทีเรียจะคุยกัน แลกเปลี่ยนความคิดเห็นกันผ่านทางช่องทางที่ใช้อิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่ามีแบคทีเรียหลายชนิดครับ ที่เมื่อมันมาอยู่รวมกันเป็นสังคมแล้ว มันจะสังเคราะห์เส้นลวดนาโน (Nanowire) ขึ้นมา ซึ่งเท่าที่รู้ตอนนี้ เส้นลวดนี้นำไฟฟ้าได้ ซึ่งมันอาจจะใช้สื่อสารเพื่อพูดคุยกัน รวมไปถึงการส่งอิเล็กตรอนจากแบคทีเรียตัวหนึ่งไปยังตัวอื่นๆ Nanowire ที่มันสร้างขึ้นนี้มีการโยงใยกันเป็นเครือข่ายที่ซับซ้อนทีเดียว ทำให้นักวิทยาศาสตร์ถึงกับอึ้ง นึกว่ามีแต่มนุษย์เท่านั้นที่มีความสามารถในการใช้อิเล็กตรอน เป็นช่องทางสื่อสารและถ่ายทอดพลังงาน

ที่ผ่านมานั้น ยังมีคนตีพิมพ์ผลงานเกี่ยวกับเส้นลวดนาโนที่สังเคราะห์โดยแบคทีเรียไม่มากนัก ตอนนี้ความเข้าใจในเรื่องนี้จึงยังน้อยอยู่ และเท่าที่ผมรู้ ในเมืองไทยก็ยังไม่น่ามีใครศึกษาเรื่องนี้เลย นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่า แบคทีเรียใช้เส้นลวดนาโนนี้เพื่อจูนระบบเมตาบอลิซึมในเซลล์ของมัน ให้สอดคล้องกับแบคทีเรียตัวอื่น ด้วยการตรวจวัดการส่งอิเล็กตรอนในเส้นลวด ทำให้มันรู้ว่าตัวอื่นทำอะไรอยู่ มันยังอาจใช้เส้นลวดนี้ เพื่อใช้ส่งพลังงานในกรณีที่พลังงานมีการขาดแคลน ซึ่งการส่งอิเล็กตรอนผ่านเส้นลวด จะทำให้มีการกระจายทรัพยากรด้านพลังงานไปให้ทั่วถึงทั้งสังคมของมัน

วันหลังผมจะนำข้อมูลทางด้านนี้มาเล่าเพิ่มเติมอีกนะครับ ..................