Da Điện Tử: Thiết Bị Đeo Được Tương Lai

Làm thế nào da có thể trở thành cơ quan cảm nhận lớn nhất trong cơ thể chúng ta, và cũng là cơ quan phức tạp nhất. Nhìn vào nó dưới kính hiển vi và bạn sẽ thấy hàng ngàn đầu dò thần kinh giữ cho não liên kết với thế giới bên ngoài và cho phép chúng ta cảm nhận được sự chạm, áp lực và đau đớn. Nhưng đối với Zhenan Bao, cô thấy điều khác.

Đối với Bao, một kỹ sư hóa học tập trung vào việc sản xuất polymer, da không chỉ là một cơ quan cảm nhận mà còn là một nguyên liệu. Một nguyên liệu mà, theo lời cô, linh hoạt, co giãn, tự phục hồi và phân hủy sinh học. Bao làm việc trong lĩnh vực mới nổi của da điện tử và đã đặt nhiệm vụ của mình là tái tạo nhiều chức năng của da người để sử dụng trong nghệ thuật cơ bản và robot. Đối với những người mang cơ quan giả, giác quan chạm sẽ cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống của họ - giúp họ phân biệt được mềm và cứng và nhận biết những thứ sắc nhọn nguy hiểm hoặc nóng chảy trước khi chúng có thể gây thiệt hại nào.

Khi Bao gia nhập Đại học Stanford vào năm 2004, ít nhà nghiên cứu nào đang nghiên cứu về các cảm biến linh hoạt có thể được cuốn quanh một bàn tay nhân tạo để mô phỏng giác quan chạm, và kinh nghiệm trước đó của Bao với màn hình linh hoạt sẽ chứng minh hữu ích. Đến năm 2010, Bao và đồng nghiệp của cô đã phát triển một cảm biến linh hoạt có độ nhạy cao đến mức có thể phát hiện được sự chạm của một bướm đậu.

“Các thiết bị điện tử hiện tại của chúng ta rất cứng, giòn, và to lớn,” nói Bao. “Nhưng nếu chúng ta có thể làm cho chúng giống như làn da, đó có thể hoàn toàn thay đổi cách con người tương tác và giao tiếp với thiết bị điện tử.” Làn da của chúng ta, tạo ra một rào cản tự nhiên chống lại môi trường, cũng có thể phục vụ như một giao diện giữa con người và thiết bị.

Ngoài robot và cơ bản, Bao nhìn thấy ứng dụng tiềm năng cho da điện tử, hoặc e-skin, trong lĩnh vực của các thiết bị đeo. Hãy tưởng tượng một thiết bị mà người ta đeo trên cơ thể như là một lớp da thứ hai và sử dụng cảm biến để đo lường chính xác huyết áp, nhiệt độ, hoặc mức đường và oxy trong thời gian thực. “Có rất nhiều sự quan tâm cho các thiết bị đeo vượt ra khỏi việc đo lường bao nhiêu bước chúng ta đi mỗi ngày hoặc nhịp tim,” nói Bao.

Một phát minh đến từ phòng thí nghiệm nghiên cứu của Bao tại Stanford có thể được sản xuất và kiểm tra lâm sàng trong vài năm tới. Công ty khởi nghiệp PyrAmes ở Silicon Valley, mà Bao là một trong những người sáng lập, đang phát triển một dải mềm quấn quanh cổ tay hoặc chân và có thể được sử dụng để giám sát huyết áp của trẻ sơ sinh non trong các đơn vị chăm sóc tích cực. Nó được thiết kế để ghi lại dòng máu liên tục giống như một đường mạch động mạch thường làm, mà không cần đến kim tiêm mang theo rủi ro nhiễm trùng, tổn thương mô và thần kinh. Sau đó, dải này được kết nối không dây với một chiếc máy tính bảng để giám sát thay đổi huyết áp trong thời gian thực.

Đối với những ứng dụng như vậy, điện tử phải được thiết kế để có thể co giãn và linh hoạt ngay từ đầu. Đội ngũ nghiên cứu của Bao đã áp dụng phương pháp phân tử hóa để thiết kế các polymer hữu cơ với điều này trong tâm trí. Polymer là một phân tử lớn được tạo thành từ nhiều monomer lặp lại liên kết với nhau như một chuỗi dài của kẹp giấy. Bằng cách thay đổi cấu trúc của những monomer này, nhà nghiên cứu có thể làm cho vật liệu co giãn và hình dạng nó để vừa vặn vào hoặc thậm chí bên trong cơ thể con người.

Bao đã nghiên cứu về điện tử “lấy cảm hứng từ da” trong nhiều năm. Từ năm 2018, bà đã giữ chức vụ chủ tịch của bộ môn kỹ thuật hóa học tại Stanford, và bà là người sáng lập và điều hành Sáng kiến Điện tử Có thể Đeo của Stanford (eWEAR), một chương trình trên toàn trường đại học kết nối các nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực vật liệu, điện tử, hệ thống, dữ liệu và khoa học y tế và kết nối họ với công nghiệp. Chính Bao đã có hơn 100 bằng sáng chế tại Hoa Kỳ, trong đó có một cho cảm biến phát hiện bướm.

Bao và đồng nghiệp tại Stanford cũng đang nghiên cứu về các vật liệu polymer cho các màn hình có thể co giãn, gập và thậm chí làm nát. Tháng 3 năm 2022, sau hơn ba năm làm việc, họ đã công bố trên tạp chí Nature một bằng chứng về nguyên tắc cho một polymer phát sáng như một sợi đèn trong bóng đèn. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng thiết bị của họ có thể được đeo ở khớp ngón tay và căng ra gấp đôi chiều dài mà không bị rách. “Đây là phiên bản co giãn, có thể biến dạng và thay đổi hình dạng,” Bao nói. Mẫu thử nghiệm chỉ có thể hiển thị hình ảnh tĩnh, độ phân giải thấp, nhưng có thể làm nền tảng cho các thiết bị điện tử có thể đeo trên cơ thể trong tương lai để đo và hiển thị các dấu hiệu sinh tử.

Có nhiều ứng dụng tiềm năng cho da điện tử, theo Bao. Nhưng con đường đến việc thương mại hóa là dài. Tuy nhiên, bà được thúc đẩy bởi ý tưởng phát triển các thiết bị điện tử có thể mang lại lợi ích cho chẩn đoán y tế và chăm sóc sức khỏe trong dài hạn—cho dù đó là dưới dạng cơ bản, thiết bị đeo hoặc thậm chí là các thiết bị có thể cấy ghép. Sự chú ý của bà cũng tập trung vào những bước nhỏ và thành công của đội nghiên cứu của bà trong việc phát triển các khối xây dựng cá nhân: cảm biến, mạch, và vật liệu co giãn, linh hoạt và phân hủy được tạo thành từ chúng. “Để lĩnh vực có thể phát triển và có một hướng đi dài hạn, chúng ta cũng cần có khả năng chứng minh rằng chúng ta có thể tạo ra ảnh hưởng trong tương lai gần,” Bao nói.

Bài viết này được xuất bản lần đầu trong số tháng 7/8 năm 2022 của tạp chí MYTOUR UK.