Da điện tử - thiết bị đeo tương lai

Da là cơ quan lớn nhất trong cơ thể chúng ta, và cũng là cơ quan phức tạp nhất. Hãy quan sát nó dưới kính hiển vi và bạn sẽ thấy hàng nghìn đầu dây thần kinh giữ cho não kết nối với thế giới bên ngoài và cho phép chúng ta cảm nhận được sự đụng chạm, áp lực và cảm giác đau.

Nhưng khi nhìn vào nó, Zhenan Bao lại thấy một thứ khác. Đối với Bao, một kỹ sư hóa học tập trung vào việc chế tạo polyme, da không chỉ là cơ quan cảm giác mà còn là vật liệu. Theo cách nói của Bao; một thứ linh hoạt, nhưng cũng có thể co giãn, tự phục hồi và có thể phân hủy sinh học. Zhenan Bao, là K. K. Lee Giáo sư Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Stanford. Bà đã giữ chức vụ Chủ nhiệm bộ môn Kỹ thuật Hóa học từ năm 2018-2022.

Bao làm việc trong lĩnh vực da điện tử mới nổi và thực hiện sứ mệnh của mình là tái tạo nhiều chức năng của da người để sử dụng trong các bộ phận giả và người máy. Đối với những người đeo chân tay giả, xúc giác sẽ cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống, cho phép họ phân biệt mềm với cứng và nhận biết vật sắc nhọn nguy hiểm hoặc nóng bỏng trước khi chúng có thể gây ra bất kỳ tổn thương nào.

Khi Bao gia nhập Đại học Stanford vào năm 2004. Một số nhà khoa học đang nghiên cứu các cảm biến linh hoạt có thể quấn quanh một bàn tay giả để bắt chước cảm giác chạm. Đến năm 2010, Bao và nhóm nhà khoa học đồng nghiệp bắt đầu phát triển một cảm biến linh hoạt nhạy đến mức nó có thể phát hiện ra cú chạm của một con bướm đang bay.

Bao nói: “Các thiết bị điện tử hiện tại của chúng tôi rất cứng, giòn và cồng kềnh. Nhưng nếu chúng ta có thể khiến tất cả chúng giống như da, thì điều đó có khả năng thay đổi hoàn toàn cách con người tương tác và giao tiếp với thiết bị điện tử. Da của chúng ta tạo thành hàng rào bảo vệ tự nhiên chống lại môi trường, cũng có thể đóng vai trò là giao diện giữa con người và thiết bị”.

Ngoài robot và bộ phận giả, Bao nhìn thấy nhiều ứng dụng tiềm năng cho da điện tử trong lĩnh vực thiết bị đeo. Hãy tưởng tượng một thiết bị được đeo trên cơ thể giống như lớp da thứ hai và sử dụng mạng cảm biến để đo chính xác huyết áp, nhiệt độ hoặc nồng độ glucose và oxy trong thời gian thực. Bao giải thích: “Có rất nhiều mối quan tâm dành cho thiết bị đeo ngoài việc đo số bước chúng ta đi bộ mỗi ngày hoặc nhịp tim”. Phát minh từ phòng thí nghiệm nghiên cứu của Bao tại Stanford có thể được sản xuất và thử nghiệm lâm sàng trong vài năm tới.

Công ty khởi nghiệp PyrAmes ở Thung lũng Silicondo Bao đồng sáng lập đang phát triển một loại băng mềm quấn quanh cổ tay hoặc bàn chân và có thể được sử dụng để theo dõi huyết áp của trẻ sinh non trong các đơn vị chăm sóc đặc biệt. Thiết bị được thiết kế để ghi lại lưu lượng máu liên tục giống như một đường truyền động mạch thường làm, mà không cần kim tiêm có nguy cơ gây nhiễm trùng, mô và tổn thương thần kinh. Sau đó, băng được ghép nối không dây với máy tính bảng theo dõi sự thay đổi huyết áp trong thời gian thực.

Đối với những ứng dụng như vậy, thiết bị điện tử phải có khả năng co giãn và linh hoạt ngay từ đầu. Nhóm nhà nghiên cứu của Bao thực hiện một phương pháp phân tử để thiết kế các polyme hữu cơ với suy nghĩ này. Polyme là phân tử lớn được tạo thành từ nhiều monome lặp lại được liên kết với nhau giống như một chuỗi dài kẹp giấy. Bằng cách thay đổi cấu trúc của các monome này, nhà nghiên cứu làm cho vật liệu có thể co giãn và định hình để phù hợp với hoặc thậm chí bên trong cơ thể con người. Bao làm việc trên thiết bị điện tử “lấy cảm hứng từ làn da” trong nhiều năm.

Kể từ năm 2018, Bao giữ chức Chủ tịch khoa Kỹ thuật hóa học của Stanford, đồng thời thành lập và chỉ đạo Sáng kiến Điện tử đeo được của Stanford (eWEAR) - một chương trình toàn trường đại học tập hợp các nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực vật liệu, điện tử, hệ thống, dữ liệu và y tế. Bản thân Bao đã có hơn 100 bằng sáng chế của Mỹ - bao gồm một bằng sáng chế cho cảm biến phát hiện bướm. Bao và nhóm nhà khoa học đồng nghiệp tại Stanford cũng đang nghiên cứu vật liệu polyme dành cho màn hình có thể co giãn, gấp lại và thậm chí là vỡ vụn.

Tháng 3/2022, sau hơn 3 năm nghiên cứu, họ công bố trên tạp chí Nature bằng chứng về nguyên tắc của một loại polymer phát sáng giống như dây tóc trong bóng đèn. Nhóm nhà nghiên cứu chứng minh thiết bị của họ được đeo trên đốt ngón tay và kéo dài gấp đôi chiều dài của nó mà không bị rách. “Đây là phiên bản có thể co giãn, có thể biến dạng và thay đổi hình dạng”, Bao cho biết. Nguyên mẫu chỉ có thể hiển thị hình ảnh tĩnh, độ phân giải thấp, nhưng nó có thể đặt nền móng cho những thiết bị điện tử đeo trên cơ thể trong tương lai cho phép đo và hiển thị mọi dấu hiệu sinh tồn.

Có rất nhiều ứng dụng tiềm năng cho da điện tử, Bao nói. Nhưng con đường thương mại hóa còn dài. Tuy nhiên, Bao bị thúc đẩy bởi ý tưởng phát triển thiết bị điện tử mang lại lợi ích cho chẩn đoán y tế và chăm sóc sức khỏe về lâu dài - có thể là ở dạng chân tay giả, thiết bị đeo được hoặc thậm chí là thiết bị cấy ghép.

Bao cũng tập trung vào những bước nhỏ và thành công của nhóm nghiên cứu trong việc phát triển các khối xây dựng riêng lẻ: cảm biến, mạch và các vật liệu dẻo, co giãn và phân hủy sinh học tạo nên chúng. Bao nhận định: “Để lĩnh vực này phát triển và có quỹ đạo dài hạn, chúng tôi cũng cần chứng tỏ rằng chúng tôi có thể tạo ra tác động trong tương lai gần”.