Da điện tử - Đột phá khoa học mới

Hiện thời John Rogers, nhà khoa học vật liệu của Đại học Urbana-Champaign bang Illinois (Mỹ), hợp tác với một số viện khoa học ở Mỹ, Singapore và Trung Quốc nghiên cứu chế tạo thành công một dạng thiết bị điện tử có đủ mọi tính năng cơ học như da người, có thể áp lên da một cách dễ dàng như hình xăm tạm thời. Được gọi là "thiết bị điện tử biểu bì" (EES), hay đơn giản là "da điện tử", nó được coi là một bước đột phá mới vô cùng ngoạn mục của ngành công nghệ sinh học.

Thiết bị thậm chí giấu được dưới hình xăm để không bị phát hiện. John Rogers giải thích: "Da là một trong nhiều vị trí dễ dàng tích hợp thiết bị điện tử. Do da là phương tiện tương tác cảm xúc nguyên sơ của con người, nên nó đóng vai trò hết sức đặc biệt".

"Da điện tử" được phát triển để đo nhịp tim, hoạt động não và sự co thắt cơ một cách chính xác như các điện cực to lớn thông thường, và đặc biệt là nó không dày hơn sợi tóc người! Miếng dán bao gồm một lưới mạch cảm biến điện tử mềm dẻo, có tính đàn hồi cao và được áp dính chặt vào da mà không cần đến chất kết dính nào.

Miếng dán da điện tử chỉ có thể sử dụng vài ngày một lần, và giới nghiên cứu khoa học hy vọng vào một ngày nào đó công nghệ cho phép bác sĩ theo dõi sức khỏe bệnh nhân mà không cần đến thiết bị cồng kềnh với mớ dây nhợ lòng thòng.

Hơn nữa, da điện tử có thể làm những điều mà thiết bị cảm biến y khoa thông thường không thể làm được. Ví dụ, khi dán lên cổ họng, nó "hiểu" được giọng nói đủ để kiểm soát game vi tính đơn giản. John Rogers nói: "Chúng tôi tập trung vào cổ họng bởi vì nơi đó làm nổi bật tính vô hình của thiết bị điện tử biểu bì, thậm chí trên phần nhạy cảm của cơ thể cũng vậy".

Da điện tử còn được sử dụng để giúp những người có vấn đề với thanh quản, giám sát trẻ sơ sinh, hay tăng cường sự kiểm soát của bộ phận giả. John Rogers cũng đang hợp tác với nhóm chuyên gia liệu pháp vật lý để sử dụng da điện tử trong chữa trị giảm co thắt cơ tại những vùng cơ thể bị thoái hóa.

Stephanie Lacour, kỹ sư Đại học Cambridge (Anh), nhận định da điện tử là thành tựu hết sức thú vị: "Đây là sự chứng minh quan trọng cho thấy thiết bị điện tử hiệu năng cao có thể được thiết kế để mô phỏng mô sinh học bằng cơ học và hoạt động chính xác".

Nhóm nghiên cứu của John Rogers làm việc với các mạch điện tử mềm dẻo từ khoảng 15 năm qua và mới đây chuyển sang bước chế tạo mô phỏng da người. Da điện tử bao gồm đủ thứ như bộ cảm biến, ăngten, các diode phát sáng và một số linh kiện khác, chúng được lắp vào giữa hai tầng bảo vệ. Da điện tử hoạt động nhờ được tích hợp hệ thống pin mặt trời hay cuộn dây cảm ứng sinh ra điện không dây. Mạng thiết bị được trải lên một tấm polyester đàn hồi được thiết kế tương tự những tính năng vật lý của da người.

Trong một thí nghiệm, nhóm của John Rogers dán miếng da điện tử nhỏ như con tem lên ngực một người để thu các tín hiệu điện phát ra từ quả tim. Kết quả rất khớp với ghi nhận của thiết bị điện tâm đồ trong bệnh viện. Trong một thí nghiệm khác, da điện tử tích hợp microphone được dán lên cổ một người và dẫn tín hiệu đến máy tính. Kết quả máy tính nhận ra 4 từ khác nhau: "lên", "xuống", "trái" và "phải". Do đó công nghệ sẽ giúp những người khuyết tật giao tiếp với máy vi tính bằng giọng nói.

Da điện tử dày chưa đến 40 micrometre và mềm dẻo hơn chip silicon dày hàng milimetre mà dễ gãy. Hệ thống mạch điện được lập theo dạng chữ S hẹp cho nên da điện tử có thể co dãn tự nhiên mà không bị gãy. Hiện thời đội khoa học của John Rogers đang nghiên cứu bố trí thêm một số thành phần mới, bao gồm thiết bị áp điện vận hành nhờ cử động của cơ thể, pin và cơ cấu truyền đạt để cập nhật dữ liệu hay truyền mệnh lệnh.

Tuy nhiên, da điện tử có một nhược điểm lớn là hiện tượng thay tế bào da của cơ thể có nghĩa là miếng dán da điện tử sẽ bị "rụng" sau vài ngày. Do đó nhóm nhà khoa học đang tìm cách giải quyết vấn đề làm thế nào để lớp da điện tử bám dính trên da người được nhiều tháng. Hơn nữa, giá thành tạo ra da điện tử còn rất đắt song John Rogers hy vọng một ngày nào đó thiết bị này sẽ giảm được giá thành khi được sản xuất hàng loạt.

John Rogers giải thích: "Mục tiêu của công nghệ là xóa bỏ ranh giới giữa thiết bị điện tử và mô sinh học". Mục tiêu của chúng tôi là phát triển một công nghệ điện tử giúp hợp nhất với da người, làm cho thiết bị trở nên vô hình đối với người sử dụng". Còn theo kỹ sư Yonggang Huang thì miếng dán "mềm mại như da người".

Da điện tử trong tương lai có thể được sử dụng cho những người bị chứng ngưng thở khi đang ngủ, giúp chữa lành vết thương hay vết bỏng trên da. Ngoài ra, theo đánh giá của các chuyên gia, công nghệ đột phá của John Rogers hứa hẹn mở ra kỷ nguyên mới trong lĩnh vực thiết bị điện gia dụng, chẩn đoán y khoa hay sử dụng vào mục đích quân sự. Với sự ra đời của da điện tử, trong tương lai gần, một số thiết bị như là máy tính hay điện thoại di động sẽ được… dán lên da!

Theo Zhenqiang Ma, Giáo sư Đại học Wisconsin, da điện tử sẽ đáp ứng được nhu cầu về thiết bị chữa bệnh thuận tiện và ít gây stress cho bệnh nhân, từ đó giúp cho việc điều trị được dễ dàng cũng như hiệu quả hơn. Trong khi đó, sự tiện lợi của da điện tử là nó được dán và gỡ dễ dàng như miếng dán thông thường.

Nguồn tài trợ dành cho công trình nghiên cứu của nhóm khoa học đến từ Viện thí nghiệm nghiên cứu thuộc Không quân Mỹ (AFRL), Quỹ khoa học quốc gia (NSF), Bộ Năng lượng Mỹ, Viện Khoa học công nghệ Beckman trực thuộc Đại học bang Illinois, và Bộ Quốc phòng Mỹ.

Nhà vật lý học Siegfried Bauer ở Đại học Johannes Kepler (Áo) lưu ý công nghệ cần được thử nghiệm tiếp tục đối với một loạt các loại da khác nhau - từ loại da nhờn đến da khô. Ông giải thích: "Các mạch điện phải cho phép da ra mồ hôi và thở một cách bình thường"