Mới đây, các nhà công nghệ sinh học tại Viện Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering (công nghệ lấy cảm hứng từ sinh học) thuộc Đại học Harvard đã trưng bày những thiết kế tài tình trong lĩnh vực y tế, công nghiệp và môi trường tại Bảo tàng Cooper Hewitt của Viện Smithsonian ở New York.
Đối với nhiều người lần đầu tham dự Cooper Hewitt, cảm giác của họ chắc hẳn cũng sẽ giống như Alice lạc vào xứ sở thần tiên vậy. Ở đó có những con Kilobots, loại robot nhỏ bé và di chuyển thành từng đàn giống như kiến khắp sảnh; Robobee với kích thước tương đương một con ong mật, hoạt động nhờ năng lượng Mặt trời đang chuẩn bị cất cánh – có tiềm năng giống như một chiếc máy bay không người lái (drone) mini, được chế tạo để hỗ trợ nhiệm vụ tìm kiếm và cứu nạn, quan sát môi trường hay đơn giản chỉ là thụ phấn cho hoa; Hay chiếc lá bionic (mô phỏng sinh học) có thể khai thác năng lượng từ ánh sáng Mặt trời để quang hợp nhân tạo, …
Đến nay, sau 10 năm kể từ triển lãm đầu tiên với chủ đề “Thiên nhiên: nguồn cảm hứng thiết kế”, đã có 375 nhà khoa học và kỹ sư trong nhiều lĩnh vực khác nhau đã cộng tác, sử dụng các nguyên tắc thiết kế sinh học để tạo ra những công nghệ mới ứng dụng trong y khoa, công nghiệp và môi trường.
Trong số các phát minh tiêu biểu, phải kể đến bộ giáp trợ lực (robot exoskeleton) giúp người mặc, nhất là những ai bị tổn thương cột sống, thậm chí bại liệt có thể đứng thẳng, đi bộ và leo trèo dễ dàng hơn; thiết bị được điều khiển thông qua một bộ remote gắn trên cổ tay. Một sáng tạo nổi bật nữa là bộ đồ vải mềm, giúp người mặc ít hao tổn năng lượng hơn khi di chuyển, giảm thiểu tình trạng căng thẳng và mệt mỏi ở công nhân nhà máy, và hỗ trợ bệnh nhân đột quỵ hoặc xơ cứng khớp xương tập đi trở lại; công ty ReWalk Robotics đã giành quyền sở hữu bằng sáng chế cho bộ đồ này vào năm 2016 và được FDA (Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ) chấp thuận để thương mại hóa sản phẩm.
Don Ingber, giám đốc sáng lập Wyss Institute cho biết: “Chúng tôi đang cố gắng biến những ý tưởng từ phòng thí nghiệm trở thành hiện thực”. Mô hình hoạt động của Viện, vì thế cũng giống như một liên minh (consortium), hướng tới kết nối các trường thiết kế, y khoa, công nghệ, … tại Harvard, Tufts, MIT và nhiều nơi khác lại với nhau.
Khi còn là một sinh viên ngành sinh lý học phân tử và hóa sinh tại Yale, Ingber đã bị mê hoặc bởi nghệ thuật và ghi danh theo học một lớp của nhà điêu khắc quá cố Kenneth Snelson (1927-2016). Tại đó, anh đã được chiêm ngưỡng một tác phẩm dị thường mà sẽ ảnh hưởng cực kỳ sâu sắc đến cuộc đời về sau – bao gồm sáu thanh gỗ cứng được kéo căng về các góc khác nhau ở cả ba chiều, và giữ mở nhờ được buộc bằng các sợi dây đàn hồi. Snelson đã theo đuổi nguyên tắc thiết kế như vậy, nhưng thường sử dụng cột và dây thép không gỉ (chịu được lực căng), trong sự cộng tác cùng một kiến trúc sư tài năng, nhà tương lai học và phát minh người Mỹ: Buckminster Fuller. Snelson nhận thấy, cũng giống như mạng nhện, lực căng có tác dụng giúp duy trì sự ổn định của các cấu trúc tự nhiên; còn Fuller thì đặt tên cho khái niệm này là “tensegrity” và đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho một mái vòm hình trắc địa vào năm 1951, cùng với mô hình điêu khắc dây của Snelson.
“Lực căng thực sự đã làm thay đổi cuộc đời tôi” Ingber hồi tưởng. “Lực căng” cũng giúp giải thích cơ chế tự ổn định của cơ thể nhờ hệ thống các xương cứng, có khả năng chịu lực và được liên kết với nhau thông qua vô số cơ, gân và dây chằng.”. Ingber đã lấy cảm hứng từ đó để khám phá ra nhiều nguyên tắc cơ bản chi phối cách thức mà các phân tử, tế bào, mô và cơ quan … tự tổ chức, ổn định hình dạng và kiểm soát chức năng. Ông nhận thấy, các tế bào sống cũng có chứa “thanh khung và cáp kéo căng.”
Trong khi đó, Radhika Nagpal cùng nhóm nghiên cứu về các hệ thống tự tổ chức (self-organizing system) của mình đã phát triển một chương trình máy tính có khả năng kích thích bầy Kilobots để chúng tự tách ra và sắp xếp lại theo hình dạng mới, giống với cách của loài kiến trong tự nhiên. Nagpal giải thích: “Hiện tượng tự sắp xếp xảy ra rất nhiều trong tự nhiên, nhờ sự kết hợp giữa các vật liệu và sinh vật, theo cách tự ổn định và tự sửa chữa. Ý tưởng này mang ý nghĩa đặc biệt sâu sắc đối với những kỹ sư như tôi, cả về mặt tính toán lẫn ứng dụng trong thiết kế vật lý của các robot.” Cô kỳ vọng chương trình do mình phát triển một ngày nào đó sẽ hoàn toàn hướng dẫn được hành vi tập thể của robot, để con người sai khiến chúng làm túi cát chắn lũ, xây cầu hoặc thay chúng ta đảm nhận những công việc nguy hiểm (nhân vật Hank Pym cũng làm điều tương tự với bầy kiến trong phim Ant Man).
Và sau cùng là ứng dụng Organ-on-a-Chip (tạm dịch: nội tạng trên một con chip), được Ingber và đồng nghiệp Dongeun Huh phát triển vào năm 2009. Đó là một thiết bị có kích thước nhỏ bằng ngón tay cái, làm từ cao su silicon trong suốt với hai rãnh nhỏ song song, rỗng và được ngăn cách bởi một màng xốp mỏng. Một rãnh sẽ chứa đầy tế bào từ phổi người còn rãnh kia chứa tế bào mạch máu và dung dịch chứa tế bào trắng chảy qua nó; ngoài ra cũng có thể tạo thêm các mô để chúng rung động như phổi hoặc ruột (nhằm mục đích mô phỏng chức năng của cơ quan sống nào đó). Trên thiết bị nuôi cấy vi lỏng này, các nhà khoa học sẽ bơm thuốc, cấy vi khuẩn hoặc bất cứ thứ gì khác để kiểm tra phản ứng. Khi được hoàn thiện, con chip này sẽ mang đến một giải pháp thay thế tiềm năng cho hoạt động thử nghiệm thuốc trên người và động vật. Ngoài ra, nó cũng giúp làm giảm đáng kể thời gian và chi phí cần thiết để đưa những loại thuốc mới ra thị trường.
Trên đây mới chỉ là một vài trong vô số những phát minh thú vị, tao nhã, mang hơi hướng tương lai và lấy cảm hứng từ thiên nhiên được trưng bày tại Cooper Hewitt, đáng để mọi người phải cất công tới chiêm ngưỡng. Và như vậy, khoa học thật kỳ thú phải không nào?