จากผลกระทบของการขาดแคลนแรงงานในช่วงโควิด-19 ทำให้ตลาดหุ่นยนต์ทั่วโลกเติบโตอย่างต่อเนื่อง โดยในปี 2565 ตลาดหุ่นยนต์มีมูลค่ารวม 34.06 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และคาดการณ์ว่าจะแตะ 45.10 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2571 เช่นเดียวกับประเทศไทยที่ตลาดหุ่นยนต์มีแนวโน้มขยายตัวอย่างรวดเร็ว เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของระบบอัตโนมัติในภาคการผลิต ขณะเดียวกัน หุ่นยนต์บริการโดยเฉพาะในภาคการดูแลสุขภาพและการต้อนรับ ยังคงมีความต้องการสูง เนื่องจากการขาดแคลนแรงงานและการเข้าสู่สังคมผู้สูงวัยในประเทศ (ข้อมูลโดย NECTEC) จากสถานการณ์ข้างต้น ทำให้ รศ. ดร.มงคล กงศ์หิรัญ ดร.ณัฐพงศ์ หัชชะวณิช ผศ.ดร.สุภาพงษ์ นุตวงษ์ และ รศ.ดร.อนวัช แสงสว่าง อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) มองเห็นโอกาสในการยกระดับการทำงานของหุ่นยนต์ ด้วยการพัฒนาระบบการอัดประจุแบบไร้สายสำหรับหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ (Autonomous Mobile Robots) เพื่อเพิ่มผลิตภาพ (Productivity) ในการผลิตของภาคอุตสาหกรรม โดยได้รับงบประมาณสนับสนุนประจำปีงบประมาณ 2564 จากกองทุนส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัย และนวัตกรรม และสำนักงานสภานโยบายการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรมแห่งชาติ โดยหน่วยบริหารและจัดการทุนด้านการเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของประเทศ (บพข.) ร่วมกับ บริษัท เอ็กซ์เปอร์ต ออโตเมชั่น จำกัด
รศ. ดร.มงคล กงศ์หิรัญ กล่าวว่า ภายหลังสถานการณ์โควิด-19 ทำให้การเติบโตของตลาดหุ่นยนต์สูงมาก ทั้งยังได้รับแรงหนุนจากหลายปัจจัย เช่น การพัฒนา Internet of Things (IoT) ในภาคอุตสาหกรรม การใช้หุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติ และ หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน (Collaborative robots) รวมถึงการผสาน AI ที่ทำให้หุ่นยนต์สามารถเรียนรู้และปรับตัวได้อย่างอิสระมากขึ้น แต่ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งในอุตสากรรมที่ใช้หุ่นยนต์มาเป็นตัวช่วยในการผลิต คือ เรื่องของการชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งเวลาที่เสียไปกับการชาร์จนั้น คือ ช่วงเวลาที่การผลิตต้องชะลอลง ส่งผลต่อปริมาณการผลิตและรายได้ของอุตสาหกรรมโดยตรง ถ้าลดปัญหานี้ลงได้ก็จะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตโดยตรงเช่นกัน "งานวิจัยนี้จึงเน้นไปที่การพัฒนาระบบการอัดประจุแบบไร้สายเพื่อให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติสามารถชาร์จพลังงานขณะปฏิบัติงานได้ทันที โดยไม่ต้องกลับไปที่สถานีชาร์จแบตเตอร์รี่เหมือนที่ผ่านมา" ซึ่งจะตอบสนองความต้องการในภาคอุตสาหกรรมยุคใหม่ที่ต้องการลดเวลาหยุดชาร์จ และเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานอย่างต่อเนื่องของหุ่นยนต์
ดร.ณัฐพงศ์ หัชชะวณิช เล่าว่า งานวิจัยนี้อาศัยหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Induction) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ใช้การส่งพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไปยังอุปกรณ์เป้าหมายโดยไม่ต้องใช้สายไฟ ซึ่งวิธีการทำงานของระบบนี้แบ่งออกเป็น 2 ส่วนหลัก ได้แก่ ขดลวดส่งพลังงาน และ ขดลวดรับพลังงาน ซึ่งทำงานผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
"ให้นึกภาพง่ายๆ เหมือนเวลาที่เราชาร์จโทรศัพท์แบบไร้สาย (Wireless Charging) หลักในการทำงานคล้ายกันคือเครื่องอัดประจุไร้สายต้องการพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งจ่าย (แหล่งพลังงานไฟฟ้า) เช่น ปลั๊กไฟบ้าน เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลเข้าสู่เครื่องชาร์จ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดส่งพลังงาน (Transmitting Coil) ในเครื่องชาร์จจะสร้างสนามแม่เหล็กที่แปรผันตามกระแสไฟฟ้า สนามแม่เหล็กนี้จะแผ่ออกมาเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปรอบๆ บริเวณที่วางอุปกรณ์รับพลังงาน ในอุปกรณ์ที่ต้องการชาร์จ เช่น โทรศัพท์มือถือ จะมีขดลวดรับพลังงาน (Receiving Coil) ที่ถูกออกแบบมาให้ทำงานกับขดลวดส่ง เมื่ออุปกรณ์อยู่ในระยะที่กำหนด สนามแม่เหล็กจากขดลวดส่งจะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้าในขดลวดรับที่จะทำหน้าที่แปลงพลังงานแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำมาเป็น พลังงานไฟฟ้า ซึ่งจะถูกส่งไปยังแบตเตอรี่ที่ติดตั้งอยู่บนอุปกรณ์เพื่อทำการชาร์จ โดยในระบบเครื่องอัดประจุไร้สายมีการจัดการพลังงานเพื่อควบคุมกำลังไฟฟ้าสำหรับชาร์จ และป้องกันการชาร์จไฟเกิน ระบบยังออกแบบมาให้ทำงานเฉพาะเมื่ออุปกรณ์อยู่ในระยะที่ถูกต้อง ซึ่งช่วยป้องกันการสูญเสียพลังงาน"
ในการทำงานครั้งนี้ทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการการประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็ก (Electromagnetic Applications Lab) มจธ.ต้องเผชิญกับความท้าทายหลายอย่าง ทั้งเรื่องการออกแบบระบบที่สามารถส่งกำลังไฟฟ้าได้สูงสุด แม้จะมีระยะห่างระหว่างตัวรับและตัวส่งที่มากขึ้น อีกทั้งยังต้องพัฒนาขดลวด และระบบควบคุม ที่สามารถส่งกำลังไฟฟ้าได้คงที่แม้ตำแหน่งของหุ่นยนต์จะไม่ตรงกัน เพื่อให้หุ่นยนต์สามารถชาร์จได้ทั้งขณะหยุดและขณะเคลื่อนที่
"ทีมเห็นว่าระบบชาร์จไร้สายนี้มีศักยภาพที่จะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น หุ่นยนต์โลจิสติกส์ โดรน และรถยนต์ไฟฟ้า นอกจากนี้ยังสามารถพัฒนาเพื่อใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ ซึ่งจะช่วยให้สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้โดยไม่ต้องผ่าตัดเปลี่ยนแบตเตอรี่เหมือนที่ผ่านมา" รศ. ดร.มงคล กล่าวทิ้งท้าย
งานวิจัยนี้นับเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรมหุ่นยนต์และระบบชาร์จพลังงานไร้สายในประเทศไทย และช่วยยกระดับขีดความสามารถของอุตสาหกรรมให้แข่งขันในระดับสากลได้