• กรณีศึกษาที่ 1 การออกแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม

• กรณีศึกษาที่ 2 การพัฒนาขั้นตอนการให้บริการสำหรับโรงพยาบาลทางจิตเวช

• กรณีศึกษาที่ 3 ขาเทียมสำหรับคนพิการแบบปรับอัตราหน่วงได้

1. ประยุกต์ใช้กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมในการแก้ปัญหาหรือพัฒนางานในชีวิตประจำวัน

การแก้ปัญหาหรือพัฒนางานในชีวิตประจำวันโดยใช้กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมช่วยให้การทำงานเป็นระบบ มีการบันทึกข้อมูลเพื่อใช้ในการปรับปรุงแก้ไขได้สะดวกขึ้น หากเกิดข้อผิดพลาดระหว่างทาง ซึ่งกระบวนการนี้สามารถประยุกต็ใช้ได้กับงานหลายประเภท ทั้งในด้านการเกษตร การขนส่ง การแพทย์ ตัวอย่างเช่น การพัฒนาเครื่องมือวัดความดันโลหิต ต้องเริ่มจากปัญหาหรือความต้องการทางการแพทย์ ที่ต้องการเครื่องมือวัดระดับความดันโลหิต จึงต้องมีการสืบค้นข้อมูลที่เกี่ยวข้องเช่น การหมุนเวียนความดันโลหิตในร่างกาย ชนิดของวัสดุที่จะนำมาใช้สร้าง เพื่อนำข้อมูลที่ได้นำไปใช้ในการออกแบบแนวทางการพัฒนา รวมทั้งต้องมีการวางแผนและดำเนินการสร้าง ทดสอบ ปรับปรุงแก้ไข จนกระทั่งได้ผลงานที่สำเร็จ แล้วเผยแพร่องค์ความรู้หรือชิ้นงานเพื่อให้ผู้สนใจสามารถนำไปใช้งานต่อไป

นักเรียนได้เรียนรู้เรื่องเกี่ยวกับการแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม ที่ประกอบด้วย การระบุปัญหา รวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับปัญหา ออกแบบวิธีการแก้ปัญหา วางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา ทดสอบ ประเมินผลและปรับปรุงแก้ไข แล้วนำเสนอวิธีการแก้ปัญหา ซึ่งการทำงานในแต่ละขั้นตอน สามารถใช้เทคนิคหรือวิธีการต่างๆ เพื่อช่วยในการวิเคราะห์การแก้ปัญหาในแต่ละขั้น ทำให้ได้ข้อมูลสำหรับแก้ปัญหาหรือพัฒนางานที่ครอบคลุม อันจะส่งผลให้การแก้ปัญหา

การแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมช่วยให้มีการทำงานได้อย่างเป็นระบบ มีการวางแผนการทำงานอย่างเป็นขั้นตอน สามารถย้อนกลับไปก้ไขได้ง่ายขึ้น เมือกิดข้อผิดพลาดหรือปรับปรุงงานให้มีคุณภาพมากขึ้น ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้จากการแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมนี้อาจเป็นได้ทั้งชิ้นงานหรือวิธีการ ขึ้นอยู่กับบริบทของสถานการณ์ปัญหา โดยในบทนี้นักเรียนจะได้ศึกษาตัวอย่างการแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมทั้งในลักษณะของชิ้นงานและวิธีการดังตัวอย่างกรณีศึกษาต่อไปนี้

ผู้วิจัยได้ทำการศึกษาข้อมูลที่เกี่ยวข้องเพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบและพัฒนาชุดอุปกรณ์โดยได้สำรวจสภาพปัญหากับผู้สูงอายุด้วยวิธีการสัมภาษณ์ และการสังเกตพฤติกรรม จากผู้สูงอายุของสมาชิกชมรมผู้สูงอายุ จำนวน 10 คน เกี่ยวกับการหยิบจับภาชนะในชีวิตประจำวัน เพื่อเป็นข้อมูลเบื้องต้น โดยผลการสำรวจพบว่าความบกพร่องทางกายภาพของนิ้วมือก่อให้เกิดข้อจำกัดในการหยิบจับ หรือถือสิ่งของซึ่งเป็นกิจกรรมในชีวิตประจำวันที่ผู้สูงอายุทำด้วยตนเองเพียงลำพัง เช่น การรับประทานอาหาร การดื่มน้ำ โดยเฉพาะในเรื่องของการหยิบจับภาชนะขณะรับประทานอาหาร เนื่องจากประเภทอาหารมีหลายลักษณะไม่ว่าจะเป็น ต้ม แกง นึ่ง ผัด และทอด รวมทั้งกิจกรรมที่เกิดขึ้นในทุกช่วงเวลาของการรับประทานอาหารที่เริ่มตั้งแต่การเตรียมอาหาร การตักข้าวหรือกับข้าวใส่ภาชนะจำนวน 2-3 ประเภท การถือภาชนะด้วยมือข้างใดข้างหนึ่ง ทำให้ต้องใช้เวลาในการถือและนำภาชนะไปจัดวางบนโต๊ะ เนื่องจากต้องเดินกลับไปกลับมาหลายครั้ง ส่งผลให้ผู้สูงอายุมีการเกร็งนิ้ว เมื่อนำพาอาหารด้วยการถือภาชนะที่มีน้ำหนักทั้ง 2 ข้าง ผู้สูงอายุกต้องใช้มือทั้ง 2 ข้างจับถาด และเกร็งนิ้วข้อมือ เพื่อรับน้ำหนักของถาดอาหาร อีกทั้งยังต้องประคองภาชนะในถาดไม่ให้ลื่น ซึ่งอาจทำให้เกิดอันตรายต่อผู้สูงอายุได้

ผลการสำรวจสถานกาณณ์ปัญหาข้างต้น สามารถวิเคราะห์ประเด็นปัญหาได้ด้วยเทคนิค 5W1H เพื่อเป็นข้อมูลประกอบการพัฒนาชิ้นงานหรือวิธีการได้ดังนี้

วิเคราะห์ประเด็นปัญหาด้วยเทคนิค 5W1H 

Who ผู้สูงอายุที่ประสบปัญหาข้อนิ้วมือเสื่อม

Where สถานที่ซึ่งมีผู้สูงอายุประสบปัญหาข้อนิ้วมือเสื่อมอาศัยอยู่

When เมื่อผู้สูงอายุต้องการจับและถือภาชนะส่งผลกระทบต่อการเกร็งมือ นิ้วมือ และการบิดข้อมือ

Why ภาวะการเสื่อมของกระดูกตามวัยของผู้สูงอายุ

What การเปลี่ยนแปลงของกระดูกส่งผลให้มีอาการปวด ขยับข้อได้จำกัดและทำให้สูญเสียความสามารถในการทำกิจกรรมประจำวัน

How ชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเลื่อน

จากการวิเคราะห์สถานการณ์ปัญหาข้างต้น จึงสรุปวัตถุประสงค์ของการแก้ปัญหาคือ เพื่อออกแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม โดยเป็นอุปกรณ์ที่สามารถรองรับพฤติกรรมการใช้งานขณะรับประทานอาหาร ประกอบด้วย ถาดอาหาร ช้อนส้อม และแก้วน้ำ ที่เหมาะกับลักษณะพฤติกรรมการรับประทานอาหารและการใช้งานของผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม สามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของโรคข้อนิ้วเสื่อม ความถนัดและเอื้อต่อการป้อน การถือแก้วน้ำที่หลีกเลี่ยงการสัมผัสโดยตรงและการถือที่ถนัดมือโดยคำนนึงถึงขนาด รูปร่าง น้ำหนัก ความสวยงามที่เหมาะสมกับข้อนิ้วมือเสื่อม และมีความสอดคล้องกับลักษณะของประเภทอาหารที่ผู้สูงอายุรับประทาน โดยผนวกหลักการออกแบบเพื่อมวลชน (universal design)

การออกแบบเพื่อมวลชน (universal design) เป็นแนวคิดในการออกแบบสภาพแวดล้อมและสิ่งอำนวยความสะดวกที่รวมไปถึงสิ่งของเครื่องใช้ทั่วไปในสังคม โดยมีหลักในการออกแบบเพื่อการใช้งานที่สะดวกสบาย ปลอดภัย ครอบคลุมสำหรับทุกคนและไม่ต้องมีการดัดแปลงพิเศษหรือเฉพาะเจาะจงเพื่อบุคคลกลุ่มใดกลุ่มหนึ่ง หลักการสำคัญของการออกแบบเพื่อมวลชน มี 7 ประการ ได้แก่

1. ความเท่าเทียมในการใช้ประโยขน์ (equitable use) ทุกคนสามารถใช้ประโยชน์จากสิ่งอำนวยความสะดวกได้อย่างเสมอภาค

2. มีความยืดหยุ่นในการใช้งาน (flexible use) อุปกรณ์หรือสิ่งอำนวยความสะดวก ควรออกแบบให้มีความยืดหยุ่นต่อการใช้งานทั้งผู้ที่ถนัดมือซ้ายและมือขวา หรือสามารถปรับรูปแบบตามความสูงได้

3. ใช้งานสะดวก ปลอดภัย สวยงาม (simple and intuitive use) ใช้งานง่ายโดยไม่คำนึงว่าผู้ใช้มีความรู้ระดับใด หรือมีประสบการณ์ในการใช้งานหรือไม่

4. สื่อความหมายเป็นที่เข้าใจ (perceptible information) ควรมีสัญลักษณ์ที่สื่อให้คนพิการเข้าใจความหมายได้

5. ป้องกันความผิดพลาดได้ (tolerance for error) การออกแบบควรลดอันตรายหรืออุบัติเหตุต่างๆ  ซึ่งอาจก่อให้เกิดขึ้นได้โดยไม่ตั้งใจ

6. ช่วยผ่อนแรงได้ (low physical effort) การออกแบบควรสะดวกต่อการใช้งาน ไม่ต้องออกแรงมากและเปิด ปิดได้ง่าย และก่อให้เกิดการล้าน้อยที่สุด

7. มีพื้นที่และขนาดที่เหมาะสมในการเข้าถึงและใช้งาน (size and space for approach and use) การออกแบบควรคำนึงถึงความกว้าง ขนาด และพื้นที่ว่างในการใช้งาน เพื่อใก้ทุกคนสามารถเข้าถึงได้

จากนั้นจึงศึกษาและรวบรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับวัตถุประสงค์ของการแก้ปัญหา โดยการทบทวนวรรณกรรม งานวิจัยที่เกี่ยวข้องจากหนังสือ บทความ วารสาร สื่อออนไลน์ต่าง ๆ รวมทั้งศึกษาความคิดเห็นของผู้สูงอายุที่เป็นสมาชิกชมรมผู้สูงอายุในกรุงเทพมหานคร ด้วยการสัมภาษณ์ และการสังเกตพฤติกรรมการรับประทานอาหาร ภายหลังจากที่รวบรวมข้อมูลประกอบการออกแบบดังนี้

1) ปัจจัยด้านกายภาพ คือ การออกแรง การเคลื่อนไหว ความคล่องแคล่วของมือ

2) ปัจจัยด้านหน้าที่ใช้สอยและความสะดวกสบายในการใช้ คือ การนำพา การเคลื่อนย้าย การทำความสะอาด ลักษณะรูปแบบของอุปกรณ์รับประทานอาหาร

3) ปัจจัยด้านรูปแบบ คือ รูปทรง ขนาด สีสัน ที่แสดงความเป็นมิตร ปลอดภัย ใช้งายง่ายและลักษณะอุปกรณ์รับประทานอาหารไม่สร้างความแปลกแยกจากอุปกรณ์ประเภทอื่นบนโต๊ะอาหาร ผสมผสามกับหลักการออกแบบเพื่อมวลชน

ผู้วิจัยบูรณาการปัจจัยทั้ง 3 นี้ เข้ากับหลักการออกแบบเพื่อมวลชน เพื่อให้ได้รูปแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดในลักษณะเสื่อมถอย ส่งผลต่อการจัดที่ไม่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ รวมไปถึงการเคลื่อนไหวที่มีความยากลำบอก ผู้วิจัยจึงมีแนวความคิดในการออกแบบที่สามารถลดจำนวนภาชนะในการใส่อาหาร ลดจำนวนรอบเพื่อการนำพาเคลื่อนย้ายในครั้งเดียวเที่ยวเดียวมายังที่รับประทานอาหาร ระหว่างการรับประทานอาหาร สามารถเกลี่ยอาหารได้โดยไม่ใช้ส้อม พื้นมีความเอียงช่วยในการตัดกับข้าวประเภทน้ำ เช่น ต้ม แกง ลดการเคลื่อนไหวของมือ ด้ามช้อนส้อมสร้างผิวสัมผัสเพื่อเพิ่มแรงเสียดทานสร้างความกระชับมือ แก้วน้ำ 2 ชั้น เพื่อลดการสัมผัสความร้อน สร้างความโค้งมน เพื่อการทำความสะอาดซอกมุม เพิ่มผิวสัมผัสที่หูแก้วน้ำซึ่งช่วยขณะหยิบจับให้กระชับมือ นอกเหนือจากนี้ผู้วิจัยค้นคว้าข้อมือเพิ่มเติมเกี่ยวกับการรับประทานอาหารในปริมาณที่พอเหมาะในแต่ละมื้อ โดยปรึกษานักโภชนาการอาหารผู้สูงอายุ ดังรูป 7.1 แสดงข้อมูลที่ถูกรวบรวมเพื่อนำไปใช้ในการออกแบบ

ภายหลังจากได้ข้อมูลที่ครอบคลุมทุกด้านแล้ว จึงทำการร่างรูปแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม ดังรายละเอียดต่อไปนี้

ถาดอาหารมีช่องใส่อาหาร 5 ช่อง ที่เหมาะกับการรับประทานอาหาร 1  มื้อ เพื่อลดขั้นตอนในการนำพาอาหารมายังที่รับประทานอาหาร และลดขั้นอนการทำความสะอาด มีช่องใส่ข้าว ช่องใส่กับข้าวประเภทผัด และประเภทต้ม ซึ่งลักษณะช่องใส่กับข้าวออกแบบให้มีลักษณะเอียงเข้าหาช่องใส่ข้าว เพื่อสะดวกต่อการเกลี่ยอาหารและลดพื้นที่การตักเข้าหาตัว ช่องวางแก้วน้ำสำหรับรองรับฐานแก้วน้ำ อีกทั้งขนาด และรูปแบบจะมีความแตกต่างกันเพื่อรองรับการใช้งาน โดยช่องใส่ข้าวมีลักษณะคล้ายรูปวงรีเพื่อไม่ให้แตกต่างจากรูปทรงที่ใช้ในชีวิตประจำวันมากนัก

ฐานของถาดมีขนาดความกว้าง 2 เซนติเมตร ลึก 1 เซนติเมตร เพื่อการวางซ้อนกัน และสามารถเป็นส่วนสัมผัสระหว่างการทำความสะอาด และด้านหลังถาดอาหารมีความโค้งกลม ผลิตด้วยยางทั้ง 2 ข้าง เพื่อรองรับพื้นที่การสัมผัสฝ่ามือ ช่องวางแก้วสามารถล็อกตัวแก้วขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 7.5 เซนติเมตร เพื่อป้องกันการหล่นระหว่างการเดิน เส้นแบ่งปริมาณอาหารประกอบด้วยเส้นแบ่งปริมาณนื้อสัตว์ 1 ใน 3 ของช่องใส่กับข้าวจากฝั่งซ้ายมือของแต่ละช่องเทียบเคียงกับปริมาณเนื้อสัตว์ 4 ช้อนโต๊ะ โดยข้อมูลดังกล่าวนี้ได้จากการปรึกษานักโภชนาการอาหาร

จากแบบร่างดังกล่าว จึงสร้างแบบจำลอง (mock up) เพื่อทดลองการใช้งาน จากนั้นจึงทำการพัฒนารูปแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อมที่เป็นของจริง เมื่อพัฒนาเสร็จเรียบร้อยจึงนำชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อมที่ได้ ไปให้ผู้สูงอายุทดสอบการใช้งานจริง รวมทั้งสอบถามความคิดเห็นและความพึงพอใจที่มีต่อรูปแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารที่ผู้วิจัยพัฒนา ซึ่งผลการวิจัยพบว่า ชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อมในด้านกายภาพประกอบด้วย ขนาดรูปทรงที่จับเหมาะสมสอดคล้องกับขนาดรูปร่างมือของผู้สูงอายุ ผลิตภัณฑ์สร้างความกระชับมั่นคงในการใช้งาน วัสดุคือเมลามีน ผู้สูงอายุมีความพึงพอใจระดับมากที่สุด 2 ด้านคือ 

1. ด้านหน้าที่ใช้สอยและความสะดวกสบาย ประกอบด้วย บริเวณที่จับสะดวกสบาย กระชับมือมั่นคง ถือง่าย มีความพอดีกับมือ และมีน้ำหนักพอประมาณ ไม่ร้อนมือเมื่อใส่อหารร้อน รองรับกับการเกลี่ยและตักอาหารง่าย ใช้งานได้ทั้งมือซ้ายและขวา การใช้งานไม่ซับซ้อน สะดวกต่อการเคลื่อนย้ายและทำความสะอาด

2. ด้านรูปแบบ ประกอบด้วย รูปแบบชุดรับประทานอาหารเป็นชุดเดียวกัน ไม่มีความรู้สึกด้านลบเมื่อใช้งาน ผลิตภัณฑ์เหมาะสมต่อการใช้งานและน่าใช้งาน

เมื่อได้ผลทดสอบการใช้งานจึงนำผลที่ได้มาทำการวิเคราะห์สรุปผลของการใช้จริงของชุดอุปกรณ์รับประทานอาหาร เพื่อประเมินผลการออกแบบและพัฒนาต้นแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่มีปัญหาข้อนิ้วมือเสื่อม โดยได้ใช้เครื่องมือประเมินหลายส่วน ได้แก่ แบบสัมภาษณ์ แบบสังเกต แบบสอบถาม แบบประเมิน และแบบบันทึกข้อมูล เพื่อเป็นข้อมูลในการพัฒนาและปรับปรุงให้มีความสอดคล้องกับปัญหาและความต้องการ แล้วจึงนำผลการออกแบบและพัฒนาที่ได้ไปเขียนรายงานการศึกษาวิจัยเพื่อนำเสนอและเผยแพร่เพื่อการประยุกต์ใช้งานจริงต่อไป

จากผังงานข้างตอนการให้บริการผู้ป่วยนอกโรงพยาบาลทางจิตเวชข้างต้นพบว่า มีการให้บริการที่ซับซ้อน และมีขั้นตอนที่อาจส่งผลให้เกิดการสะสมของจำนวนผู้รับบริการ จึงต้องนำข้อมูลที่ได้จากการศึกษาในส่วนนี้ไปใช้ประกอบการออกแบบแถวคอยเพื่อการเข้ารับบริการต่อไป

จากการรวบรวมข้อมูลดังกล่าวข้างต้น สามารถนำมาใช้ในการคิดแนวทางการแก้ปัญหาสำหรับการคิดวิธีการเพื่อลดระยะเวลาในการให้บริการการรักษาสำหรับโรงพยาบาลด้านจิตเวช

จากแนวคิดต่าง ๆ ที่ได้จากการสำรวจเพื่อการวางแผนพัฒนาวิธีการลดระยะเวลาในการให้บริการรักษาสำหรับโรงพยาบาลด้านจิตเวช มีดังนี้

1. ออกแบบรูปแบบการจัดระบบแถวคอย โดยสร้างการจำลองบริการ (queueing simulation) เป็นส่วนสำหรับจำลองการให้บริการรูปแบบแถวคอย หรือรูปคิวที่ใช้ในการจำลอง คือ คิวหลายขั้นตอนแบบอนุกรม (single queue, multiple servers in series) ใช้ระเบียบการให้บริการแบบการมาก่อนได้รับบริการก่อน (FCFS: First Come First Severd หรือ FIFO: First In First Out) การเข้ามารับบริการของผู้รับบริการเป็นแบบไม่จำกัด

2. เขียนโปรแกรมสร้างแบบจำลองรูปแบบการจัดระบบแถวคอย

จากนั้นจึงนำแบบจำลองที่สร้างโดยการเขียนโปรแกรมไปทดสอบการใช้งาน ประเมินผล และปรับปรุงแก้ไข โดยการประเมินใช้ได้ 2 วิธีคือ

1. แบบสำรวจระยะเวลาการให้บริการการแผนกผู้ป่วยนอก แบ่งออกเป็น 3 ชุด คือ ผู้ป่วยรายใหม่ ผู้ป่วรายเก่า และผู้ป่วยรับยาเดิม

2. ใช้แบบสอบถามความพึงพอใจการใช้งาน

จากการทดสอบและประเมินการใช้งานวธีการแก้ปัญหาการเข้าคิวใช้บริการของผู้ป่วยในโรงพยาบาลทางจิตเวช พบว่าวิธีการใหม่นี้สามารถช่วยลดเวลาและอำนวยความสะดวกต่อการบริการของโรงพยาบาลได้เป็นอย่างดี จากนั้นจึงได้นำผลการสร้างวิธีการจัดการเพื่อลดระยะเวลาในการให้บริการการรักษาสำหรับโรงพยาบาลทางด้านจิตเวช และมีการเผยแพร่ผ่านทางเว็บไซต์เพื่อผู้สนใจนำไปใช้พัฒนาต่อยอดได้อีกด้วย

จากปัญหาและความต้องการข้างต้นผู้ประดิษฐ์จึงได้สืบค้นและรวบรวมข้อมูลเพื่อหาแนวทางการพัฒนาขาเทียม โดยได้ศึกษาปัจจัยหลายอย่าง ได้แก่

1. ลักษณะการเดินของมนุษย์ โดยปกติทั่วไปเราสามารถแบ่งช่วงจังหวะการเดินในวงรอบของการก้าวขา 1 ครั้งนั้นแบ่งได้เป็น 5 ช่วงด้วยกัน คือ

1) Stance flexion คือสภาวะที่คนเราเริ่มนำขาที่ก้าวไปนั้นรองรับน้ำหนักในวงรอบต่อไป โดยจุดแรกที่เริ่มรองรับน้ำหนัก คือ ส่วนของสันเท้า โดยจะเห็นจากรูป (ขาด้านสีดำ) ว่าในช่วงเริ่มต้นช่วงนี้ขาข้างที่ก้าวไปรับน้ำหนักนั้นจะมีมุมของข้อเข้าน้อย (ขายืดเกือบสุด)

2) Stnace extension คือสภาวะที่เราถ่ายเทน้ำหนักของลำตัวไปที่ขาด้านที่เราก้าวเข้ามารับน้ำหนักในช่วง Stance flexion เมื่อน้ำหนักทั้งหมดถูกถ่ายเทมาจนหมดก็จะทำการก้าวขาอีกข้างหนึ่ง (ขาด้านสีขาว) เพื่อไปทำการรองรรับน้ำหนักในช่วงก้าวต่อไป

3) Pre-swing เมื่อขาอีกข้างหนึ่ง (ขาด้านสีขาว) ก้าวไปรับและเริ่มทำการถ่ายเทน้ำหนักไปแล้ว ในช่วงนี้ขาด้านสีดำจะเตรียมตัวในการก้าวเดินเพื่อไปอยู่ในช่วงต่อไป ในช่วงสภาวะนี้จะเริ่มขึ้นจนกระทั่งหัวแม่เท้าของขาด้านที่เตรียมก้าวเริ่มลอยออกจากพื้น

4) Swing flexion คือสภาวะที่ขาด้านที่ก้าวออกจากพื้น (ขาด้านสีดำ) ทำการแกว่งไปด้านหน้า จนกระทั่งผ่านลำตัว ซึ่งสังเกตเห็นได้ว่ามุมที่ข้อเขาของขาด้านนี้จะมีค่าสูงที่สุด หรืองอมากที่สุด เพื่อที่จะทำให้สามารถแกว่งขอไปได้โดยไม่ติดพื้น

5) Swing extension เมื่อขาด้านที่แกว่งก้าวผ่านจุดศูนย์กลางลำตัวไปแล้ว ขาด้านนี้ก็จะต้องแกว่งไปด้านหน้าพร้อมกับขาที่ยืดขาไปอีกเพราะจะต้องไปทำหน้าที่ในการรับน้ำหนักในช่วงก้าวต่อไป ซึ่งหลังจากสภาวะนี้แล้ว กระบวนการเดินก็จะวนกลับไปเป็น Stance extension และก็วนเป็นวงรอบแบบนี้ไปเรื่อยๆ ตลอดเวลาในการเดิน

2. คุณสมบัติของกล้ามเนื้อขาของมนุษย์ จะเปรียบเสมือน การทำงานของกลไกที่ประกอบไปด้วย มวล สปริง และตัวหน่วง แต่ขาเทียมที่ใช้ในปัจจุบัน จะมีเพียงมวล กับสปริง ซึ่งทำให้ลักษณะการก้าวเดินโดยใช้ขาเทียมแตกต่างไปจากคนปกติ การนำตัวหน่วงแบบปรับอัตราการหน่วงได้ด้วยไมโครโปรเซสเซอร์มาประยุกต์ใช้กับขาเทียม จะทำให้การดำรงชีวิตของผู้ป่วยใกล้เคียงกับคนปกติมากยิ่งขึ้น

3. ประเภทของขาเทียม มีดังนี้

1) ประเภทขาเทียมตามตำแหน่งของการตัด แบ่งเป็น 

1.1) ขาเทียมแบบเหนือเข่า (Above knee prosthesis) เป็นขาเทียมที่ใช้สำหรับคนพิการตัดขาระดับเหนือเข่า (Above Knee: AK) โดยขาเทียมประเภทนี้มีส่วนประกอบได้แก่ เป้าอ่อน (soft socket) ทำด้วยดินมวลเบา (perlite) เบ้าพลาสติกแบบ hard socket ทำด้วยพอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HIDPE)  ประกับเพลา (coupling) ทำด้วยอะลูมิเนียม alignment unit ทำด้วยพลาสติกเอบีเอส (ABS หรือ Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) ข้อเข่าเทียม แกนหน้าแข้ง (pylon) ทำด้วย Nolon-6 และเท้าเทียม

1.2) ขาเทียมแบบใต้เข่า (Below knee prosthesis) เป็นขาเทียมที่ใช้สำหรับคนพิการตัดขาระดับใต้เข่า (Below Knee: BK) โดยขาเทียมประเภทนี้มีส่วนประกอบ ได้แก่ เบ้าอ่อน (soft socket) ทำด้วยดินมวลเบา (perlite) เบ้าพลาสติกแบบ hard socket ทำด้วยพอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) ประกับเพลา (coupling) ทำด้วยอะลูมิเนียม alignment unit ทำด้วยพลาสติกเอบีเอส ABS หรือ Acrylonitrile-Butadiene-Styrene แกนหน้าแข้ง (pylon) และเท้าเทียม

2) ประเภทของขาเทียมตามลักษณะแกนของขาเทียม แบ่งเป็น

2.1) ขาเทียมแกนนอก (Exoskeleton prosthesis) เป็นระบบขาเทียมใช้ไม้ หรือโฟมอัดแน่นเป็นแกนขา และหุ้มด้วยพลาสติกเรซิน เพื่อป้องกันการสึกกร่อนและมีความสวยงามคล้ายขาจริง

2.2) ขาเทียมแกนใน (Endoskeleton prosthesis) เป็นขาเทียมใช้แกนขาเป็นโลหะหรือพลาสติกเป็นแกน นอกจากนี้สามารถใช้งานแบบเปลือย หรือหุ้มด้วยโฟมเพื่อความสวยงามก็ได้

4. ไมโครโปรเซสเซอร์ 

ขาเทียมที่ปรับอัตราหน่วงด้วยระบบไมโครโปรเซสเซอร์ (microprocessor) ใช้หลักการเลียนแบบลักษระของมุมหัวข้อเข่าในการปรับอัตราหน่วง หากเราเดินแบบต่อเนื่องนั้น หัวข้อเข่าเทียมจะพยายามรักษะขนาดมุมของข้อเข่าให้ได้ นั่นคือ การทำงานของหัวข้อเข่าของคนเรานั่นเอง ในปัจจุบันการทำหัวเข่าเทียมที่ใช้ระบบไมโครโปรเซสเซอร์ควบคุมนั้น มีลักษณะการทำงานดังนี้

1) ผู้ป่วยใช้การงอขา ทำให้เกิดการหมุนตัวของข้อหัวเข่า และควบคุมความหนืดด้วยของเหลว ซึ่งสามาถปรับเปลี่ยนได้ทันที จากไมโครโปรเซสเซอร์

2) ผู้ป่วยใช้การเหวี่ยงขา และ/หรือสปริงเป็นตัวทำให้ขากลับไปสู่ตำแหน่งยืดตรง และควบคุมความหนืดด้วยของเหลว ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนได้ทันที จากไมโครโปรเซสเซอร์

3) เมื่อขาเริ่มสัมผัสพื้นเพื่อยืน หรือเพื่อก้าวต่อไป ไมโครโปรเซสเซอร์จะทำการปิดช่องทางการไหลเพื่อทำการล็อกขาให้อยู่ในตำแหน่งนั้น

ดังนั้นในการออกแบบขาเทียมที่ดีจะต้องคำนึงถึงการใช้งานของผู้ป่วยที่ต้องสวมใส่แล้วกระชับพอดีไปกับทุกส่วนของตอขา ใส่แล้วรู้สึกสบาย ไม่เจ็บ เดินด้วยท่าเดินที่เป็นธรรมชาติ การที่จะได้ขาเทียมที่ดี เบ้าจะต้องมีขนาดพอดีกับตอขา และสามารถถ่ายทอดน้ำหนักตัวผ่านเบ้าขาเทียม แกนหน้าแข้ง และลงสู่เท้าเทียมได้อย่างถูกต้อง

แนวทางการทำงานเพื่อพัฒนาขาเทียม ผู้ประดิษฐ์ได้มีลำดับการทำงานดังนี้

1. ศึกษาแนวทางการปฏิบัติงานโดยเริ่มจากคุณสมบัติของกล้ามเนื้อของมนุษย์ประกอบไปด้วย มวล สปริง และตัวหน่วง

2. จากนั้นพัฒนาขาเทียมโดยการนำตัวหน่วงทั้งแบบปรับอัตราการหน่วงด้วยคนพิการเอง และแบบปรับอัตราการหน่วงด้วยไมโครโปรเซสเซอร์มาประยุกต์ใช้กับขาเทียม เพื่อให้การดำรงชีวิตของคนพิการใกล้เคียงกับคนไม่พิการมากยิ่งขึ้น การเดินขึ้นลงบันใดนั้นคนพิการยังต้องใช้ขาที่ดีเป็นเท้าหลักในการรับน้ำหนักขณะเดินขึ้นลงบันใด

แนวทางการทดสอบขาเทียม เมื่อพัฒนาต้นแบบแล้วจึงได้ทดสอบทางการแพทย์กับคนพิการโดยการให้ใช้งานข้อเข่าเทียมแบบปรับอัตราหน่วง รวมทั้งการทดสอบข้อเข่าเทียมแบบปรับอัตราหน่วง ซึ่งประกอบด้วย ข้อเข่าเทียมแบบปรับอัตราหน่วงด้วยมือ ปรับอัตราหน่วงด้วยรีโมทคอนโทรล และปรับอัตราหน่วงอัตโนมัติ เพื่อหาความสามารถในการใช้งานกับชีวิตประจำวัน ดังนี้

1. การลุกนั่งจากเก้าอี้ สามารถทำได้สะดวก

2. การเดินภายใน และภายนอกอาคารพื้นเรียบ โดยมีลักษณะการเดินช้า จนถึงการเดินเร็ว พบว่าสามารถเดินได้ดี มีท่าทางการเดินที่ปกติ แต่ในบางความเร็วการเดิน อาจจำเป็นต้องปรับอัตราหน่วงให้เหมาะสมกับความเร็วที่เดิน

3. การเดินภายนอกอาคารพื้นไม่เรียบ พบว่าสามารถเดินได้ แต่ไม่สามารถใช้ความเร็วในการเดินได้

4. เดินขึ้นลงทางลาดเอียงและทางต่างระดับ พบว่าสามารถเดินได้ดี และเดินได้เร็วกว่าขาเทียมแบบไม่มีระบบหน่วง

5. การลุกจากพื้น พบว่าคนพิการยังไม่สามารถลุกจากพื้นโดยใช้ขาเทียมเป็นขาที่ใช้ในการรับน้ำหนักได้

6. เดินขึ้นลงบันได พบว่าสามารถเดินได้ แต่ยังไม่สามารถเดินขึ้นลง ได้เหมือนคนปกติ โดยการเดินขึ้นลงบันไดนั้น คนพิการยังต้องใช้ขาที่ดีเป็นเท้าหลักในการรับน้ำหนักขณะเดินขึ้นลงบันใด

โดยการทดสอบดังกล่าวข้างต้นถูกทดสอบภายใต้หัวข้อการทดสอบ ดังนี้

1. การทดสอบโครงสร้างหลัก เป็นการทดสอบเพื่อยืนยันความแข็งแรงของโครงสร้างข้อเข่าเทียม เมื่อเกิดการรับแรงสูงสุดของข้อเข่าเทียม ขณะเริ่มใช้ข้อเข่าเทียมรับน้ำหนัก และขณะเริ่มใช้ขาปกติรับน้ำหนัก

2. การทดสอบโครงสร้างย่อยแบบสถิตในสวนของแรงบิด เป็นการทดสอบเพื่อยืนยันความแข็งแรงของข้อเข่าเทียม ในการรับแรงบิดที่เกิดขึ้นของข้อเข่าเทียม

3. การทดสอบความแข็งแรงสถิตสูงสุดย่อยในช่วงการงอเข่ามากที่สุดของข้อเข่า และชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้อง เป็นการทดสอบเพื่อยืนยันความแข็งแรงของข้อเข่าเทียม และชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้อง ในกรณีการงอเข่า หรือท่าการนั่งยอง 

4. การทดสอบย่อยบนชุดกลไกล็อกข้อเข่า เป็นการทดสอบเพื่อยืนยันความแข็งแรงของข้อเข่าเทียมในการลงน้ำหนักของส้นเท้าที่พยายามก่อให้เกิดการงอของข้อเข่าในขณะที่เขามีการล็อก เมื่อเกิดการยืดมากที่สุด

เมื่อได้ชิ้นงานที่เสร็สมบูรณ์แล้ว จึงได้นำไปสู่การเผยแพร่องค์ความรู้การออกแบบและสร้างขาเทียมที่สามารถปรับอัตราหน่วงได้แบบอัตโนมัติเพื่อการต่อยอดนวัตกรรมและประยุกต์ใช้แก้ปัญหาหรือพัฒนาคุณภาพชีวิต โดยมีการนำระบบหน่วงทั้งแบบปรับอัตราการหน่วงด้วยผู้ใช้ และแบบปรับอัตราการหน่วงด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ มาประยุกต็ใช้กับขาเทียม เพื่อให้การดำนงชีวิตของผู้ป่วยใกล้เคียงกับคนปกติมากยิ่งขึ้น เช่น สามารถเดินได้เร็วขึ้น ดีขึ้น เนื่องจากมีการเดินที่สามารถทรงตัวได้ ทำให้ลำตัวตั้งตรงมากขึ้น อย่างไรก็ตามผลงานวิจัยยังมีข้อจำกัดอยู่บ้าง เช่น ขนาดใหญ่ และน้ำหนักมาก ซึ่งต้องมีการพัฒนาให้มีคุณภาพมากยิ่งขึ้นต่อไป

กิจกรรม 7.1 การวิเคราะห์กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

ให้นักเรียนแต่ละกลุ่มเลือกตัวอย่างกรณีศึกษาหนึ่งเรื่อง จากกรณีศึกษา 1-3 แล้ววิเคราะห์สรุปขั้นตอนการทำงานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมจากตัวอย่างกรณีศึกษาที่เลือก พร้อมทั้งบันทึกรายละเอียดแต่ละขั้นตอนของกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

กรณีศึกษาเรื่อง..................

ขั้นตอนการแก้ปัญหาตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

ขั้นระบุปัญหา.........................

ขั้นรวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับปัญหา.............

ขั้นออกแบบวิธีการแก้ปัญหา.................

ขั้นวางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา....................

ขั้นทดสอบ และเมินผล ปรับปรุงแก้ไขวิธีการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน.................

ขั้นนำเสนอวิธีการแก้ปัญหา ผลการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน.........................

กิจกรรมท้ายบท การแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม

ให้นักเรียนแบ่งกลุ่ม ประมาณ 4-5 คน ต่อกลุ่ม เพื่อทำกิจกรรมการแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม โดยต้องเป็นสถานการณ์ปัญหาเกี่ยวกับงานสุขภาพ แล้วดำเนินการพัฒนาชิ้นงานหรือวิธีการ พร้อมจัดทำรายงานและนำเสนอ ตามประเด็นสำคัญของแต่ละขั้นตอนการทำงานดังต่อไปนี้

ขั้นระบุปัญหา

• เหตุผลหรือความจำเป็นที่เลือก

• การวิเคราะห์สถานการณ์เพื่อกำหนดขอบเขตของปัญหา

ขั้นรวบรวมข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับปัญหา

• ข้อมูลเกี่ยวกับวิธีการแก้ปัญหาที่อาจมีผู้อื่นทำไว้แล้ว

• ความรู้วิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ หรืออื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง

• วัสดุ อุปกรณ์ เครื่องมือ

ขั้นออกแบบวิธีการแก้ปัญหา

• ภาพร่างชิ้นงาน หรือขั้นตอนของวิธีการ

• วิเคราะห์แนวทางการตัดสินใจเลือกแนวทางที่เหมาะสม เช่น ความเป็นไปได้ ความคุ้มทุน ทรัพยากร

ขั้นวางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา

• กำหนดแผนการดำเนินการสร้างชิ้นงานหรือพัฒนาวิธีการ

• บันทึกข้อมูลระหว่างการปฏิบัติงาน ข้อผิดพลอด และแนวทางแก้ไข

ขั้นทดสอบ ประเมินผล ปรับปรุงแก้ไขวิธีการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน

• บันทึกข้อมูลผลการทดสอบและประเมินผลงาน

• บันทึกข้อมูลการแก้ไขผลงาน

ขั้นนำเสนอวิธีการแก้ปัญหา ผลการแก้ปัญหาหรือชิ้นงาน

• ผลลัพธ์ที่ได้

• กระบวนการทำงาน

• ข้อเสนอแนะและการพัฒนาต่อยอด