การแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมช่วยให้มีการทำงานได้อย่างเป็นระบบ มีการวางแผนการทำงานอย่างเป็นขั้นตอน สามารถย้อนกลับไปแก้ไขได้ง่ายขึ้นเมื่อเกิดข้อผิดพลาดหรือปรับปรุงงานให้มีคุณภาพมากขึ้นซึ่งผลลัพธ์ที่ได้จากการแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมนี้อาจเป็นได้ทั้งขึ้นงานหรือวิธีการขึ้นอยู่กับบริบทของสถานการณ์ปัญหา โดยในบทนี้นักเรียนจะได้ศึกษาตัวอย่างการแก้ปัญหาหรือพัฒนางานตามกระบวนออกแบบเชิงวิศวกรรมทั้งในลักษณะของชิ้นงานและวิธีการดังตัวอย่างกรณีศึกษาต่อไปนี้

กรณีศึกษาที่ 1 การออกแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม

สถานการณ์

การออกแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม สถานการณ์ปัญหาด้านสุขภาพรูปแบบหนึ่งที่พบมากในผู้สูงอายุคืออาการปวดข้อ การเสื่อมของข้อ ซึ่งมีสาเหตุหลักมาจากการสูญเสียกระดูกอ่อนผิวข้อ การเปลี่ยนแปลงของกระดูกนี้ส่งผลให้มีอาการปวด ขยับข้อได้จำกัดและเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของกระดูกมากขึ้นจนเกิดข้อผิดรูปในที่สุดทำให้สูญเสียความสามารถในการทำกิจวัตรประจำวันของผู้สูงอายุ โดยเฉพาะถ้าเป็นโรคของการเสื่อมของข้อมือและนิ้วมือ จะส่งผลต่อการจับและการถือภาชนะของผู้สูงอายุ เนื่องจากผู้ใช้จะมีการเกร็งมือ นิ้วมือและการบิดข้อมือ ซึ่งสภาพปัญหาตังกล่าวนี้ของผู้สูงอายุส่งผลต่อการหยิบจับภาขนะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการหยิบจับภาขนะขณะรับประทานอาหาร ผู้วิจัยจึงต้องการออกแบบและพัฒนาต้นแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่มีข้อนิ้วมือเสื่อมให้สามารถหยิบจับภาชนะในขณะใช้งานได้สะดวก

ผู้วิจัยได้ทำการศึกษาข้อมูลที่เกี่ยวข้องเพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบและพัฒนาชุดอุปกรณ์โดยได้สำรวจสภาพปัญหากับผู้สูงอายุด้วยวิธีการสัมภาษณ์ และการสังเกตพฤติกรรม จากผู้สูงอายุของสมาชิกชมรมผู้สูงอายุ จำนวน 10 คน เกี่ยวกับการหยิบจับภาชนะในชีวิตประจำวัน เพื่อเป็นข้อมูลเบื้องต้น โดยผลการสำรวจพบว่าความบกพร่องทางกายภาพของนิ้วมือก่อให้เกิดข้อจำกัดในการหยิบจับ หรือถือสิ่งของซึ่งเป็นกิจกรรมในชีวิตประจำวันที่ผู้สูงอายุทำด้วยตนเองเพียงลำพัง เช่น การรับประทานอาหาร การดื่มน้ำโดยเฉพาะในเรื่องของการหยิบจับภาชนะขณะรับประทานอาหาร เนื่องจากประเภทอาหารมีหลายลักษณะไม่ว่าจะเป็นต้ม แกง นี่ง ผัด และทอด รวมทั้งกิจกรรมที่เกิดขึ้นในทุกช่วงเวลาของการรับประทานอาหารที่เริ่มตั้งแต่การการเตรียมอาหาร การตักข้าวหรือกับข้าวใส่ภาชนะจำนวน 2-3 ประเภท การถือภาชนะด้วยมือข้างใดข้างหนึ่ง ทำให้ต้องใช้เวลาในการถือและนำภาชนะไปจัดวางบนโต๊ะ เนื่องจากต้องเดินกลับไปกลับมาหลายครั้ง ส่งผลให้ผู้สูงอายุมีการเกร็งนิ้ว เมื่อนำพาอาหารด้วยการถือภาชนะที่มีน้ำหนักทั้ง 2 ข้างผู้สูงอายุต้องใช้มือทั้ง 2 ข้างจับถาด และเกร็งนิ้วข้อมือเพื่อรับน้ำหนักของถาดอาหาร อีกทั้งยังต้องประคองภาชนะในถาดไมให้ลื่น ซึ่งอาจทำให้เกิดอันตรายต่อผู้สูงอายุได้

ผลการสำรวจสถานการณ์ปัญหาข้างต้น สามารถวิเคราะห์ประเด็นปัญหาได้ด้วยเทคนิค 5W1H เพื่อเป็นข้อมูลประกอบการพัฒนาชิ้นงานหรือวิธีการได้ ดังนี้

วิเคราะห์ปัญหาด้วยเทคนิค 5W1H

Who ผู้สูงอายุที่ประสบปัญหาข้อนิ้วมือเสื่อม?

Where สถานที่ซึ่งมีผู้สูงอายุผู้ประสบปัญหาข้อนิ้วมือเสื่อมอาศัยอยู่

When เมื่อผู้สูงอายุต้องการจับและถือภาชนะส่งผลกระทบต่อการเกร็งมือ นิ้วมือและการบีบนิ้วมือ

Why ภาวการณ์เสื่อมของกระดูกตามวัยของผู้สูงอายุ

What การเปลี่ยนแปลงของกระดูกส่งผลให้มีอาการปวด ขยับข้อได้จำกัดและทำให้สูญเสีย

ความสามารถในการทำกิจกรรมประจำวัน

How ชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม

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

จากนั้นจึงศึกษาและรวบรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับวัตถุประสงค์ของการแก้ปัญหา โดยการทบทวนวรรณกรรม งานวิจัยที่เกี่ยวข้องจากหนังสือ บทความ วารสาร สื่อออนไลน์ต่าง ๆ รวมทั้งศึกษาความคิดเห็นของผู้สูงอายุที่เป็นสมาชิกชมรมผู้สูงอายุในกรุงเทพมหานคร ด้วยการสัมภาษณ์ และการสังเกตพฤติกรรมการรับประทานอาหาร ภายหลังจากที่รวบรวมข้อมูลแล้วจึงทำการสรุปปัจจัยที่เกี่ยวข้อง 3 ด้าน เพื่อนำไปใช้เป็นข้อมูลประกอบการออกแบบ ดังนี้

1) ปัจจัยด้านกายภาพ คือ การออกแรง การเคลื่อนไหว ความคล่องแคล่วของมือ

2) ปัจจัยด้านหน้าที่ใช้สอยและความสะดวกสบายในการใช้ คือ การนำพา การเคลื่อนย้ายการทำความสะอาด ลักษณะรูปแบบของอุปกรณ์รับประทานอาหาร

3) ปัจจัยด้านรูปแบบ คือ รูปทรง ขนาด สีสัน ที่แสดงความเป็นมิตร ปลอดภัย ใช้งานง่ายและลักษณะอุปกรณ์รับประทานอาหารไม่สร้างความแปลกแยกจากอุปกรณ์ประเภทอื่นบนโต๊ะอาหาร ผสมผสานกับหลักการออกแบบเพื่อมวลชน

ผู้วิจัยบูรณาการปัจจัยทั้ง 3 นี้ เข้ากับหลักการออกแบบเพื่อมวลชนเพื่อให้ได้รูปแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดในลักษณะเสื่อมถอยเป็นวัยที่มีความสามารถด้านร่างกายลดลง พบว่าผู้สูงอายุเป็นโรคข้อนิ้วมือเสื่อม ส่งผลต่อการจับที่ไม่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ รวมไปถึงการเคลื่อนไหวที่มีความยากลำบาก ผู้วิจัยจึงมีแนวความคิดในการออกแบบที่สามารถลดจำนวนภาชนะในการใส่อาหาร ลดจำนวนรอบเพื่อการนำพาเคลื่อนย้ายในครั้งเดียวเที่ยวเดียวมายังที่รับประทาน ระหว่างการรับประทานสามารถเกลี่ยอาหารได้โดยไม่ใช้ส้อม พื้นมีความเอียงช่วยในการตักกับข้าวประเภทน้ำ เช่น ต้ม แกง ลดการเคลื่อนไหวของมือ ด้ามช้อนส้อมสร้างสัมผัสเพื่อเพิ่มแรงเสียดทานสร้างความกระชับมือ แก้วน้ำ 2 ชั้นเพื่อลดการสัมผัสความร้อน สร้างเพื่อการทำความสะอาดซอกมุม เพิ่มผิวสัมผัสที่หูแก้วน้ำชึ่งช่วยขณะหยิบจับให้กระชับมือ นอกเหนือจากนั้นผู้วิจัยค้นคว้าข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการรับประทานอาหารในปริมาณที่พอเหมาะในแต่ละมื้อ โดยปรึกษนักโภชนาการอาหารผู้สูงอายุ ดังรูป 7.1 แสดงข้อมูลที่ถูกรวบรวมเพื่อนำไปใช้ในการออกแบบ

ภายหลังจากได้ข้อมูลที่ครอบคลุมทุกด้านจึงทำการร่างรูปแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อม ดังรายละเอียดต่อไปนี้

ผลการออกแบบ

ชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่มีปัญหาด้านข้อนิ้วมือเสื่อมที่ได้จากการออกแบบและพัฒนาประกอบไปด้วย 3 ส่วน ได้แก่ ถาดอาหาร ช้อนส้อม และแก้วน้ำ

ถาดอาหารมีช่องใส่อาหาร 5 ช่อง ที่เหมาะสมกับการรับประทาน 1 มื้อ เพื่อลดขั้นตอนในการนำพาอาหารมายังที่รับประทานอาหารและลดขั้นตอนการทำความสะอาด มีช่องใส่ข้าว ช่องใส่กับข้าวประเภทผัดและประเภทต้ม ซึ่งลักษณะช่องใส่กับข้าวออกแบบให้มีลักษณะเอียงเข้าหาช่องใส่ข้าวเพื่อสะดวกต่อการเกลี่ยอาหารและลดพื้นที่การตักเข้าหาตัว ช่องวางแก้วน้ำสำหรับรองรับฐานแก้วน้ำ อีกทั้งขนาด และรูปแบบจะมีความแตกต่างกันเพื่อรองรับการใช้งาน โดยช่องใส่ข้าวมีลักษณะคล้ายรูปวงรีเพื่อไมให้แตกต่างจากรูปทรงที่ใช้ในชีวิตประจำวันมากนัก

ช่องใส่กับข้าวที่ออกแบบให้มีจำนวน 2 ช่องจะมีลักษณะเอียงทำมุม 7 องศา เพื่อง่ายต่อการตักกับข้าวที่มีลักษณะเป็นน้ำแกง ผู้สูงอายุไม่ต้องเอียงภาชนะเพื่อตัก และขอบด้านข้างโค้งเว้า เพื่อช่วยในการถือถาดอาหาร ผู้วิจัยเพิ่มวัสดุยางเพื่อช่วยเพิ่มแรงเสียดทานขณะสัมผัสในบริเวณที่รองรับนิ้วหัวแม่มือและพื้นที่รองรับอุ้งมือของผู้สูงอายุและขอบถาดโดยรอบขนาดความกว้าง 1 เซนติเมตร โดยขนาดพื้นผิวที่กำหนดนี้สอดคล้องกับที่ผู้วิจัยได้วิเคราะห์ข้อมูลเกี่ยวกับระยะการสัมผัส

ฐานของถาดมีขอบขนาดความกว้าง 2 เซนติเมตร ลึก 1 เซนติเมตร เพื่อการวางซ้อนกัน และเป็นสามารถเป็นส่วนสัมผัสระหว่างการทำความสะอาด และด้านหลังถาดอาหารมีความโค้งกลม ผลิตด้วยยางทั้ง 2 ข้างเพื่อรองรับพื้นที่การสัมผัสฝ่ามือ ช่องวางแก้วสามารถล็อกตัวแก้วขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 7.5 เชนติเมตร เพื่อป้องกันการร่วงหล่นระหว่างการเดิน เส้นแบ่งปริมาณอาหารประกอบด้วยเส้นแบ่งปริมาณเนื้อสัตว์ 1 ใน 3 ของช่องใส่กับข้าวจากฝั่งซ้ายมือของแต่ละช่องเทียบเคียงกับปริมาณเนื้อสัตว์ 4 ช้อนโต๊ะโดยข้อมูลดังกล่าวนี้ได้จากการปรึกษานักโภชนาการอาหาร

ช้อนส้อม

ออกแบบด้ามช้อนส้อมที่มีความยาว 11 เซนติเมตร ที่รองรับนิ้วหัวแม่มือและนิ้วชี้ มีการออกแบบพื้นผิวสัมผัสที่มีความกว้าง 1 เซนติเมตร ความยาวรองรับ 4-5 เซนติเมตร และมีความลึก 0.3 เซนติเมตร โดยส่วนนี้เป็นวัสดุยางเพื่อช่วยเพิ่มแรงเสียดทานขณะสัมผัส

แก้วน้ำ

แก้วน้ำมีลักษณะทรงกลมที่ปากแก้ว เพื่อการดื่มในทุกด้าน การลดการสัมผัสความร้อนจากแก้วโดยการออกแบบบให้ผนังแก้ว มี 2 ชั้น ก้นแก้วภายในมีลักษณะโค้ง ซึ่งช่วยลดการเอียงแก้ว เมื่อผู้สูงอายุใช้หลอดดูดน้ำ หูจับด้านในเมีความโค้งรับกับอุ้งมือ ส่วนนี้เป็นวัสดุยางเพื่อการสัมผัสที่มีแรงเสียดทานช่วยเพิ่มการสัมผัสที่กระชับ

จากแบบร่างดังกล่าว จึงสร้างแบบจำลอง (mock up) เพื่อทดลองการใช้งาน จากนั้นจึงทำการพัฒนารูปแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อมที่เป็นของจริง เมื่อพัฒนาเสร็จเรียบร้อยจึงนำชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อมที่ได้ไปให้ผู้สูงอายุทดสอบการใช้งานจริง รวมทั้งการสอบถามความคิดเห็นและความพึงพอใจที่มีต่อรูปแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารที่ผู้วิจัยพัฒนา ซึ่งผลการวิจัยพบว่าชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่ข้อนิ้วมือเสื่อมในด้านกายภาพประกอบด้วย ขนาดรูปทรงที่จับเหมาะสมสอดคล้องกับขนาดรูปร่างมือของผู้สูงอายุ ผลิตภัณฑ์สร้างความกระชับมั่นคงในการใช้งาน วัสดุคือเมลามีน ผู้สูงอายุมีความพึงพอใจระดับมากที่สุดใน 2 ด้าน คือ

ด้านหน้าที่ใช้สอยและความสะดวกสบายประกอบด้วย บริเวณที่จับสะดวกสบาย กระชับมือมั่นคงถือง่าย มีความพอดีกับมือ และมีน้ำหนักพอประมาณ ไม่ร้อนมือเมื่อใส่อาหารร้อน รองรับการเกลี่ยและตักอาหารง่าย ใช้งานได้ทั้งมือซ้ายและขวา การใช้งานไม่ซับซ้อน สะดวกต่อการเคลื่อนย้ายและทำความสะอาด

ด้านรูปแบบประกอบด้วยรูปแบบชุดรับประทานอาหารเป็นชุดเดียวกัน ไม่มีความรู้สึกด้านลบเมื่อใช้งาน ผลิตภัณฑ์เหมาะสมต่อการใช้งานและน่าใช้งาน

เมื่อได้ผลทดสอบการใช้งานจึงนำผลที่ได้มาทำการวิเคราะห์สรุปผลของการใช้จริงของชุดอุปกรณ์รับประทานอาหาร เพื่อประเมินผลการออกแบบและพัฒนาต้นแบบชุดอุปกรณ์รับประทานอาหารสำหรับผู้สูงอายุที่มีปัญหาข้อมือ นิ้วมือเสื่อม โดยได้ใช้เครื่องมือประเมินหลายส่วน ได้แก่ แบบสัมภาษณ์ แบบสังเกตแบบสอบถาม แบบประเมิน และแบบบันทึกข้อมูล เพื่อเป็นข้อมูลในการพัฒนาและปรับปรุงให้มีความสอดคล้องกับปัญหาและความต้องการ แล้วจึงนำผลการออกแบบและพัฒนาที่ได้เขียนรายงานการศึกษาวิจัยเพื่อนำเสนอและเผยแพร่เพื่อการประยุกต์ใช้งานจริงต่อไป

กรณีศึกษาที่ 2 การพัฒนาขั้นตอนการให้บริการสำหรับโรงพยาบาลทางจิตเวช

สถานการณ์

เวลาในการให้บริการเป็นปัจจัยสำคัญของโรงพยาบาลทางจิตเวช เนื่องจากความล่าช้าในการให้บริการอาจลดโอกาสในการรักษา และผู้รอรับบริการบางรายที่มีพฤติกรรมรุนแรง คลุ้มคลั่ง หรือทำร้ายผู้อื่นอาจมีอาการกำเริบ ซึ่งสามารถส่งผลต่อชีวิตของผู้รับบริการ หรือส่งผลต่อชีวิตและความปลอดภัยของผู้ที่กำลังรอรับบริการคนอื่น รวมถึงเจ้าหน้าที่ผู้ให้บริการด้วย

เมื่อพิจารณาจากการวิเคราะห์ปัญหาข้างต้น จึงทำให้ได้แนวทางการแก้ปัญหาสำคัญ คือวิธีการจัดการเพื่อลดระยะเวลาในการให้บริการการรักษาสำหรับโรงพยาบาลทางด้านจิตเวช ดังนั้นจึงทำการศึกษาและรวบรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้อง โดยทำกรศึกษาจากเอกสารและการลงเก็บข้อมูลจากโรงพยาบาลทางด้านจิตเวช ซึ่งข้อมูลที่ศึกษาและรวบรวมเพื่อนำไปสู่การพัฒนาวิธีการจัดการเพื่อลดระยะเวลาในการให้บริการการรักษาสำหรับโรงพยาบาลทางด้านจิตเวชนั้น มีการศึกษาข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับปัญหา ได้แก่

1. ประเภทผู้รับบริการ เช่น ผู้รับบริการรายใหม่ ผู้รับบริการรายเก่า ผู้รับบริการรับยาเดิม

2. ข้อมูลทั่วไปของผู้รับบริการ เช่น ช่วงเวลาที่เข้ารับบริการ จำนวนผู้ป่วยที่เข้ารับบริการ

3. ขั้นตอนการรับบริการ

4. แนวคิดและทฤษฎีเกี่ยวกับทฤษฎีแถวคอย (queueing theory) ในเรื่องรูปแบบการ

5. แนวคิดและเทคนิคการจำลอง (simulation techniques) จัดระบบแถวคอย

จากการรวบรวมข้อมูลดังกล่าวข้างต้น สามารถนำมาใช้ในการคิดแนวทางการแก้ปัญหาสำหรับการคิดวิธีการเพื่อลดระยะเวลาในการให้บริการการรักษาสำหรับโรงพยาบาลทางด้านจิตเวชจากแนวคิดต่าง ๆ ที่ได้จากการสำรวจเพื่อการวางแผนพัฒนาวิธีการลดระยะเวลาในการให้บริการการรักษาสำหรับโรงพยาบาลทางด้านจิตเวช มีดังนี้

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

2. เขียนโปรแกรมสร้างแบบจำลองรูปแบบการจัดระบบแถวคอยจากนั้นจึงนำแบบจำลองที่สร้างโดยการเขียนโปรแกรมไปทดสอบการใช้งาน ประเมินผล และปรับปรุงแก้ไข โดยการประเมิน ได้ใช้ 2 วิธี คือ

1. แบบสำรวจระยะเวลาการให้บริการแผนกผู้ป่วยนอก แบ่งออกเป็น 3 ชุด คือ ผู้ป่วยรายใหม่ผู้ป่วยรายเก่า และผู้ป่วยรับยาเดิม

2. ใช้แบบสอบถามความพึงพอใจการใช้งาน จากการทดสอบและประเมินการใช้งานวิธีการแก้ปัญหาการเข้าคิวใช้บริการของผู้ป่วยโรงพยาบาลทางจิตเวช พบว่าวิธีการใหม่นี้สามารถช่วยลดเวลาและอำนวยความสะดวกต่อการบริการของโรงพยาบาลได้เป็นอย่างดี จากนั้นจึงได้นำผลการสร้างวิธีการจัดการเพื่อลดระยะเวลาในการให้บริการการรักษาสำหรับโรงพยาบาลทางด้านจิตเวช และมีการเผยแพร่ผ่านทางเว็บไซต์เพื่อผู้สนใจนำไปใช้พัฒนาต่อยอดได้อีกด้วย

กรณีศึกษาที่ 3 ขาเทียมสำหรับคนพิการแบบปรับอัตราหน่วงได้

สถานการณ์

ปัจจุบันประเทศไทยมีจำนวนผู้พิการขาขาคมากกว่า 50,000 ราย ทั้งนี้ ผู้พิการขาขาดล้วนมีความต้องการที่จะได้รับความช่วยเหลือเรื่องขาเทียมชนิดสวมใส่พอดี เดินได้เหมือนธรรมชาติซึ่งในต่างประเทศมีการผลิตจำหน่าย แต่พบว่ามีราคาที่สูงมาก ดังนั้นทางสถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ได้ดำเนินการวิจัย ออกแบบและสร้างขาเทียมเหนือหัวเข่า โดยมุ่งหวังนำองค์ความรู้และเทคโนโลยีมาประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์และลดต้นทุนการนำเข้าสินค้าจากต่างประเทศจากปัญหาและความต้องการข้างต้น ผู้ประดิษฐ์จึงได้สืบค้นและรวบรวมข้อมูลเพื่อหาแนวทางการพัฒนาขาเทียม โดยได้ศึกษาปัจจัยหลายอย่าง ได้แก่

1. ลักษณะการเดินของมนุษย์ โดยปกติทั่วไปเราสามารถแบ่งช่วงจังหวะการเดินในวงรอบของการก้าวขา 1 ครั้งนั้นแบ่งได้เป็น 5 ช่วงด้วยกัน คือ

1) Stance flexion คือสภาวะที่คนเราเริ่มนำขาที่ก้าวไปนั้นรองรับน้ำหนักในวงรอบต่อไปโดยจุดแรกที่เริ่มรองรับน้ำหนัก คือ ส่วนของส้นเท้าโดยจะเห็นจากรูป (ขาด้านสีดำ) ว่าในช่วงเริ่มต้นช่วงนี้ขาข้างที่ก้าวไปรับน้ำหนักนั้นจะมีมุมของข้อเข่าน้อย (ขายืดเกือบสุด)

2) Stance extension คือสภาวะที่เราถ่ายเทน้ำหนักของลำตัวไปที่ขาด้านที่เราก้าวเข้ามารับน้ำหนักในช่วง Stance flexion เมื่อน้ำหนักทั้งหมดถูก ถ่ายเทมาจนหมดก็จะทำการก้าวขาอีกข้างหนึ่ง(ขาด้านสีขาว) เพื่อไปทำการลองรับน้ำหนักในช่วงก้าวต่อไป

3) Pre-swing เมื่อขาอีกข้างหนึ่ง (ขาด้านสีขาว) ก้าวไปรับและเริ่มทำการถ่ายเทน้ำหนักไปแล้วในช่วงนี้ขาด้านสีดำจะเตรียมตัวในการก้าวเดินเพื่อไปอยู่ในช่วงต่อไป ในช่วงสภาวะนี้จะเริ่มขึ้นจนกระทั่งหัวแม่เท้าของขาด้านที่เตรียมก้าวเริ่มลอยออกจากพื้น

4) Swing fexion คือสภาวะที่ขาด้านที่ก้าวออกจากพื้น (ขาด้านสีดำ) ทำการแกว่งไปด้านหน้าจนกระทั่งผ่านลำตัว ซึ่งจะสังเกตเห็นได้ว่ามุมที่ข้อเข่าของขาด้านนี้จะมีค่าสูงที่สุดหรืองอมากที่สุดเพื่อที่จะทำให้สามารถแกว่งขาไปได้โดยไม่ติดพื้น

5) Swing extension เมื่อขาด้านที่แกว่งก้าวผ่านจุดศูนย์กลางลำตัวไปแล้ว ขาด้านนี้ก็จะต้องแกว่งไปด้านหน้าพร้อมกับยืดขาไปอีกเพราะจะต้องไปทำหน้าที่ในการรับน้ำหนักในช่วงก้าวต่อไปซึ่งหลังจากสภาวะนี้แล้วกระบวนการเดินก็จะวนกลับไปเป็น Stance extension และก็วนเป็นวงรอบแบบนี้ไปเรื่อย ๆตลอดเวลาในการเดิน

2. คุณสมบัติของกล้ามเนื้อขาของมนุษย์จะเปรียบเสมือน การทำงานของกลไกที่ประกอบไปด้วย มวล สปริง และตัวหน่วง แต่ขาเทียมที่ใช้ในปัจจุบัน จะมีเพียง มวล กับสปริง ซึ่งทำให้ลักษณะการก้าวเดินโดยใช้ขาเทียมแตกต่างไปจากคนปกติการนำตัวหน่วงแบบปรับอัตราการหน่วงได้ด้วยไมโครโปรเซสเซอร์มาประยุกต์ใช้กับขาเทียม จะทำให้การดำรงชีวิตของผู้ป่วยใกล้เคียงกับคนปกติมากยิ่งขึ้น

3. ประเภทของขาเทียม มีดังนี้

1) ประเภทขาเทียมตามตำแหน่งของการตัด แบ่งเป็น

1.1) ขาเทียมแบบเหนือเข่า (Above knee prosthesis) เป็นขาเทียมที่ใช้สำหรับคนพิการตัดขาระดับเหนือเข่า (Above Knee: AK) โดยขาเทียมประเภทนี้มีส่วนประกอบ ได้แก่เบ้าอ่อน (soft socket) ทำด้วยดินมวลเบา (perlite) เข้าพลาสติกแบบ hard socket ทำด้วยลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) ประกับเพลา (coupling) ทำด้วยอะลูมิเนียม (unit) ทำด้วยพลาสติกเอบีเอส (ABS หรือ Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) ข้อเข่าเทียมแกนหน้าแข้ง (pyIon) ทำด้วย NyIon-6 และเท้าเทียม

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

2) ประเภทของขาเทียมตามลักษณะแกนของขาเทียม แบ่งเป็น

2.1) ขาเทียมแกนนอก (Exoskeleton prosthesis) เป็นระบบขาเทียมใช้ไม้ หรือโฟมอัดเเน่นเป็นแกนขา และหุ้มด้วยพลาสติกเรซิน เพื่อป้องกันการสึกกร่อนและมีควคล้ายขาจริง

2.2) ขาเทียมแกนใน (Endoskeleton prosthesis) เป็นขาเทียมใช้แกนขาเป็นโลหะหรือพลาสติกเป็นแกน นอกจากนี้สามารถใช้งานแบบเปลือย หรือหุ้มด้วยโฟมเพื่อความสวยงามก็ได้

4. ไมโครโปรเชสเซอร์

ขาเทียมที่ปรับอัตราหน่วงด้วยระบบไมโครโปรเซสเชอร์ (microprocessor) ใช้หลักการเลียนแบบลักษณะของมุมหัวข้อเข่าในการปรับอัตราหน่วง หากเราเดินแบบต่อเนื่องนั้น หัวข้อเข่าเทียมจะพยายามรักษาขนาดมุมของข้อเข่าให้ได้ นั่นคือ การทำงานของหัวข้อเข่าของคนเรานั่นเองในปัจจุบันการทำหัวเขาเทียมที่ใช้ระบบไมโครโปรเซสเซอร์ควบคุมนั้น มีลักษณะการทำงานดังนี้

1 ) ผู้ป่วยใช้การงอขา ทำให้เกิดการหมุนตัวของข้อหัวเข่า และควบคุมความหนืดด้วยของเหลวซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนได้ทันที จากไมโครโปรเซสเซอร์

2) ผู้ป่วยใช้การเหวี่ยงขา และ/หรือสปริงเป็นตัว ทำให้ขากลับไปสู่ตำแหน่งยืดตรง และควบคุมความหนืดด้วยของเหลว ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนได้ทันที จากไมโครโปรเซสเซอร์

3) เมื่อขาเริ่มสัมผัสพื้นเพื่อยืน หรือเพื่อก้าวต่อไป ไมโครโปรเซสเซอร์จะทำการปิดช่องทางการไหลเพื่อทำการล็อกขาให้อยู่ในตำแหน่งนั้น

แนวทางการเเก้ปัญหาขาเทียมที่ดี

จากการศึกษาข้อมูลที่เกี่ยวข้องส่งผลให้สามารถนำมาใช้เป็นข้อมูลประกอบการประเมินเพื่อตัดสินใจเลือกแนวทางการแก้ปัญหา และข้อมูลดังกล่าวจะถูกนำไปใช้ประกอบการออกแบบแนวทางการพัฒนาขาเทียม ซึ่งการออกแบบอาจทำได้โดยการใช้ซอฟต์แวร์ช่วยในการออกแบบ ทำให้สะดวกต่อการปรับแก้รูปแบบของขาเทียม ดังรูปตัวอย่างของการร่างภาพโดยใช้โปรแกรมช่วยในการออกแบบ

ดังนั้นในการออกแบบขาเทียมที่ดีจะต้องคำนึงถึงการใช้งานของคนผู้ป่วยที่ต้องสวมใส่แล้วกระชับพอดีไปกับทุกส่วนของตอขา ใส่แล้วรู้สึกสบาย ไม่เจ็บ เดินด้วยท่าเดินที่เป็นธรรมชาติ การที่จะได้ขาเทียมที่ดีเบ้าจะต้องมีขนาดพอดีกับตอขา และสามารถถ่ายทอดน้ำหนักตัวผ่านเข้าขาเทียม แกนหน้าแข้ง และลงสู่เท้าเทียม ได้อย่างถูกต้อง

แนวทางการทำงานเพื่อพัฒนาขาเทียม ผู้ประดิษฐ์ได้มีลำดับการทำงาน ดังนี้

1. ศึกษาแนวทางการปฏิบัติงานโดยเริ่มจากคุณสมบัติของกล้ามเนื้อขาของมนุษย์ประกอบไปด้วย มวล สปริง และตัวหน่วง

2. จากนั้นพัฒนาขาเทียมโดยการนำตัวหน่วงทั้งแบบปรับอัตราการหน่วงด้วยคนพิการเอง และแบบปรับอัตราการหน่วงด้วยไมโครโปรเซสเซอร์มาประยุกต์ใช้กับขาเทียม เพื่อให้การดำรงชีวิตของคนพิการใกล้เคียงกับคนไม่พิการมากยิ่งขึ้น การเดินขึ้นลงบันไดนั้นคนพิการยังต้องใช้ขาที่ดีเป็นเท้าหลักในการรับน้ำหนักขณะเดินขึ้นลงบันได้

แนวทางการทดสอบขาเทียม เมื่อพัฒนาต้นแบบแล้วจึงได้ทดสอบทางการแพทย์กับคนพิการโดยการให้ใช้งานข้อเข่าเทียมแบบปรับอัตราหน่วง รวมทั้งการทดสอบข้อเข่าเทียมแบบปรับอัตราหน่วง ซึ่งประกอบด้วย ข้อเข่าเทียมแบบปรับอัตราหน่วงด้วยมือ ปรับอัตราหน่วงด้วยรีโมทคอนโทรล และปรับอัตราหน่วงอัตโนมัติ เพื่อหาความสามารถในการใช้งานกับชีวิตประจำวัน ดังนี้

1. การลุก-นั่งจากเก้าอี้ สามารถทำได้สะดวก

2. การเดินภายใน และภายนอกอาคารพื้นเรียบ โดยมีลักษณะการเดินช้า จนถึงการเดินเร็ว พบว่าสามารถเดินได้ดี มีท่าทางการเดินที่ปกติ แต่ในบางความเร็วการเดิน อาจจำเป็นต้องปรับอัตราหน่วงให้เหมาะสมกับความเร็วที่เดิน

3. การเดินภายนอกอาคารพื้นไม่เรียบ พบว่าสามารถเดินได้ แต่ไม่สามารถใช้ความเร็วในการเดินได้

4. เดินขึ้นลงทางลาดเอียงและทางต่างระดับ พบว่าสามารถเดินได้ดี และเดินได้เร็วกว่าขาเทียมแบบไม่มีระบบหน่วง

5. การลูกจากพื้น พบว่าคนพิการยังไม่สามารถลุกจากพื้นโดยใช้ขาเทียมเป็นขาที่ใช้ในการรับน้ำหนักได้

6. เดินขึ้นลงบันได พบว่าสามารถเดินได้ แต่ยังไม่สามารถเดินขึ้นลง ได้เหมือนคนปกติ โดยการเดินขึ้นลงบันไดนั้น คนพิการยังต้องใช้ขาที่ดีเป็นเท้าหลักในการรับน้ำหนักขณะเดินขึ้นลงบันได้

โดยการทดสอบดังกล่าวข้างต้นถูกทดสอบภายใต้หัวข้อการทดสอบดังนี้

1. การทดสอบโครงสร้างหลัก เป็นการทดสอบเพื่อยืนยันความแข็งแรงของโครงสร้างข้อเข่าเทียมเมื่อเกิดการรับแรงสูงสุดของข้อเข่าเทียมขณะเริ่มใช้ข้อเข่าเทียมรับน้ำหนัก และขณะเริ่มใช้ขาปกติรับน้ำหนัก

2. การทดสอบโครงสร้างย่อยแบบสถิตในส่วนของแรงบิด เป็นการทดสอบเพื่อยืนยันความแข็งแรงของข้อเข่าเทียม ในการรับแรงบิดที่เกิดขึ้นของข้อเข่าเทียม

3. การทดสอบความแข็งแรงสถิตสูงสุดย่อยในช่วงการงอเข่ามากที่สุดของข้อเข่า และชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้อง เป็นการทดสอบเพื่อยืนยันความแข็งแรงของข้อเข่าเทียม และขึ้นส่วนที่เกี่ยวข้อง ในกรณีการงอเข่า หรือท่าการนั่งยอง

4. การทดสอบย่อยบนชุดกลไกล็อกข้อเข่า เป็นการทดสอบเพื่อยืนยันความแข็งแรงของข้อเข่าเทียมในกรณีลงน้ำหนักของสันเท้าที่พยายามก่อให้เกิดการงของข้อเข่าในขณะที่เข่ามีการล็อก เมื่อเกิดการยึดมากที่สุด

เมื่อได้ชิ้นงานที่เสร็จสมบูรณ์แล้วจึงได้นำไปสู่การเผยแพร่องค์ความรู้การออกแบบและสร้างขาเทียมที่สามารถปรับอัตราหน่วงได้แบบอัตโนมัติเพื่อการต่อยอดนวัตกรรมและประยุกต์ใช้แก้ปัญหาหรือพัฒนาคุณภาพชีวิต โดยมีการนำระบบหน่วงทั้งแบบปรับอัตราการหน่วงด้วยผู้ใช้ และแบบปรับอัตราการหน่วงด้วยไมโครโปรเซสเซอร์มาประยุกต์ใช้กับขาเทียม เพื่อให้การดำรงชีวิตของผู้ป่วยใกล้เคียงกับคนปกติมากยิ่งขึ้นเช่น สามารถเดินได้เร็วขึ้น ดีขึ้น เนื่องจากมีการเดินที่สามารถทรงตัวได้ ทำให้ลำตัวตั้งตรงมากขึ้น อย่างไรก็ตามผลงานวิจัยยังมีข้อจำกัดอยู่บ้าง เช่น ขนาดใหญ่ และน้ำหนักมาก ซึ่งต้องมีการพัฒนาให้มีคุณภาพมากยิ่งขึ้นต่อไป

สรุปท้ายบท

จะเห็นได้ว่า ตัวอย่างการแก้ปัญหาหรือพัฒนางานทั้งสามเรื่องที่นักเรียนได้อ่านข้างต้นจะมีขั้นตอนและกระบวนการในการทำงานคล้ายกัน เริ่มตั้งแต่ การระบุปัญหาหรือความต้องการให้ชัดเจนว่าต้องการพัฒนาวิธีการหรือชิ้นงานอะไร จากนั้นจึงเริ่มสืบคันและรวบรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้อง มีการออกแบบและวางแผนการแก้ปัญหา การออกแบบและสร้างสรรค์ขึ้นงานหรือวิธีการ ทดสอบ ประเมิน และปรับปรุงแก้ไข แล้วนำไปสู่การนำเสนอหรือเผยแพร่ผลงานเพื่อการใช้ประโยชน์หรือการพัฒนาต่อยอดในอนาคต ซึ่งกระบวนการในการสร้างสรรค์หรือพัฒนางานนี้เป็นการทำงานตามกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมนั่นเอง