Pin linh hoạt hỗ trợ thị giác

Kính áp tròng thông minh là kính áp tròng công nghệ cao có khả năng hiển thị thông tin hiển thị trên giác mạc và được sử dụng để truy cập thực tế tăng cường. Các ứng dụng hiện tại bao gồm giúp điều chỉnh thị lực, theo dõi sức khỏe người đeo, đánh dấu và điều trị bệnh cho những người mắc bệnh mãn tính như tiểu đường và bệnh tăng nhãn áp. Trong tương lai, kính áp tròng thông minh được phát triển để ghi lại và truyền mọi thứ người đeo nhìn và nghe tới bộ lưu trữ dữ liệu dựa trên đám mây. Tuy nhiên, để đạt được tiềm năng tương lai này cần phải phát triển loại pin an toàn và phù hợp để cung cấp năng lượng cho chúng. Pin sạc hiện tại dựa vào dây dẫn hoặc cuộn dây cảm ứng có chứa kim loại không phù hợp sử dụng cho mắt người vì gây khó chịu và rủi ro cho người dùng.

Pin do NTU phát triển làm bằng vật liệu tương thích sinh học không chứa dây hoặc kim loại nặng độc hại, chẳng hạn như pin lithium-ion hoặc hệ thống sạc không dây. Nó có lớp phủ gốc glucose phản ứng với các ion natri và clorua trong dung dịch muối bao quanh nó, trong khi nước chứa trong pin đóng vai trò là “dây” hoặc “mạch điện” để tạo ra điện. Pin cũng được cung cấp năng lượng từ nước mắt của con người vì chúng chứa các ion natri và kali ở nồng độ thấp hơn. Khi thử nghiệm loại pin hiện tại bằng dung dịch mô phỏng, nhóm nhà nghiên cứu chỉ ra rằng tuổi thọ pin được kéo dài thêm một giờ sau mỗi chu kỳ hao mòn 12 giờ mà nó được sử dụng. Pin cũng được sạc thông thường bằng nguồn điện bên ngoài.

Phó giáo sư Lee Seok Woo, từ Trường Kỹ thuật Điện và Điện tử (EEE) của NTU và người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Nghiên cứu này bắt đầu bằng một câu hỏi đơn giản: Liệu pin của kính áp tròng có thể được sạc lại bằng nước mắt của chúng ta không? Có những ví dụ tương tự về pin tự sạc, chẳng hạn như pin dành cho thiết bị đeo được cung cấp năng lượng bằng mồ hôi con người. Tuy nhiên, các kỹ thuật trước đây dành cho pin ống kính không hoàn hảo vì một bên của điện cực pin được sạc còn bên kia thì không. Cách tiếp cận của chúng tôi có thể sạc cả hai điện cực của pin thông qua sự kết hợp độc đáo giữa phản ứng enzym và phản ứng tự khử. Bên cạnh cơ chế sạc, nó chỉ dựa vào glucose và nước để tạo ra điện, cả hai đều an toàn cho con người và ít gây hại cho môi trường khi thải bỏ so với pin thông thường”.

Đồng tác giả, Tiến sĩ Yun Jeonghun, nhà nghiên cứu từ EEE của NTU, bình luận: “Hệ thống sạc pin phổ biến nhất cho kính áp tròng thông minh yêu cầu các điện cực kim loại trong thấu kính, điều này có hại nếu chúng tiếp xúc với mắt thường. Trong khi đó, một chế độ cấp nguồn khác cho ống kính, sạc cảm ứng, yêu cầu một cuộn dây nằm trong ống kính để truyền năng lượng, giống như miếng sạc không dây cho điện thoại thông minh. Pin làm từ nước mắt của chúng tôi loại bỏ hai mối lo ngại tiềm ẩn mà hai phương pháp này đặt ra, đồng thời giải phóng không gian cho những đổi mới hơn nữa trong việc phát triển kính áp tròng thông minh”.

Nhấn mạnh tầm quan trọng của công việc được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu, Phó giáo sư Murukeshan Vadakke Matham của Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không Vũ trụ NTU, người chuyên về quang học y sinh và quang học cấp nano và không tham gia vào nghiên cứu, đánh giá: “Vì loại pin này hoạt động dựa trên glucose, xuất hiện tự nhiên ở người và được cung cấp bởi các ion clorua và natri, chẳng hạn như các ion trong nước mắt của chúng ta, chúng phải tương thích và phù hợp để sử dụng cho con người. Bên cạnh đó, ngành công nghiệp kính áp tròng thông minh đang tìm kiếm một loại pin mỏng, tương thích sinh học, không chứa kim loại nặng và phát minh này có thể giúp họ phát triển hơn nữa nhằm đáp ứng một số nhu cầu chưa được đáp ứng của ngành”. Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế thông qua NTUitive, công ty doanh nghiệp và đổi mới của NTU. Họ cũng đang nỗ lực thương mại hóa phát minh của mình.

Nhóm trình diễn phát minh bằng cách sử dụng mắt người mô phỏng.  Pin mỏng khoảng 0,5mm tạo ra năng lượng điện bằng cách phản ứng với những giọt nước mắt cơ bản (liên tục tạo ra một lớp màng mỏng trên nhãn cầu của chúng ta) để các thiết bị nhúng bên trong thấu kính hoạt động. Pin phẳng và dẻo sẽ phóng điện thông qua một quá trình gọi là khử khi lớp phủ glucose của nó phản ứng với các ion natri và clorua trong nước mắt, tạo ra năng lượng và dòng điện trong kính áp tròng.

Nhóm nghiên cứu chứng minh rằng pin có thể tạo ra dòng điện 45 microampe và công suất tối đa 201 microwatt, đủ để cung cấp năng lượng cho một chiếc kính áp tròng thông minh. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy pin có thể được sạc và xả tới 200 lần. Pin lithium-ion thông thường có tuổi thọ từ 300 đến 500 chu kỳ sạc. Nhóm nghiên cứu khuyến nghị nên đặt pin ít nhất 8 giờ trong dung dịch thích hợp chứa lượng lớn các ion glucose, natri và kali để sạc trong khi người dùng đang ngủ.

Đồng tác giả Li Zongkang, một nghiên cứu sinh tiến sĩ từ EEE của NTU, giải thích: “Mặc dù truyền tải điện không dây và siêu tụ điện cung cấp năng lượng cao, nhưng việc tích hợp chúng là một thách thức đáng kể do lượng không gian trong thấu kính hạn chế. Bằng cách kết hợp pin và pin nhiên liệu sinh học thành một bộ phận duy nhất, pin có thể tự sạc mà không cần thêm không gian cho các bộ phận có dây hoặc không dây. Hơn nữa, các điện cực được đặt ở mặt ngoài của kính áp tròng đảm bảo tầm nhìn của mắt không bị cản trở”. Nhóm NTU sẽ tiến hành nghiên cứu sâu hơn để cải thiện lượng dòng điện mà pin của họ có thể xả  ra. Họ cũng sẽ làm việc với một số công ty kính áp tròng để triển khai công nghệ.