Nhóm nghiên cứu của TS. Đỗ Thanh Nhỏ (Đại học New South Wales, Úc) đã phát triển được một loại cơ nhân tạo có thể đan dệt để tạo ra những bộ trang phục "thông minh" với chức năng đặc biệt.
Những ai đã từng đọc bộ truyện tranh Doraemon nổi tiếng hẳn có thể vẫn còn nhớ đến đôi găng tay võ sĩ - một bảo bối thần kỳ giúp tăng công lực cho người đeo chúng. Song, món đồ này không còn chỉ là một ý tưởng mơ mộng của tác giả bộ truyện nữa mà hoàn toàn có thể trở thành một sản phẩm thực tế, khi các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển thành công các sợi cơ nhân tạo - một tiền đề để sản xuất ra các thiết bị thông minh mặc được trên người, giúp nâng cao sức mạnh hay phục hồi chức năng cho người bệnh.
Mô phỏng sợi cơ của con người
Trong vài năm trở lại đây, lĩnh vực nghiên cứu robot mềm (soft robots) đã trở thành một chủ đề hấp dẫn nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới. Khác với robot “cứng” truyền thống, robot mềm sẽ sử dụng những sợi cơ nhân tạo làm từ vật liệu mềm và dẻo - được lập trình để co giãn, chuyển động mềm mại dưới tác động của tác nhân kích thích - nhằm trở thành các thiết bị mang được trên người và ứng dụng trong y học.
Robot mềm làm từ cơ nhân tạo của nhóm TS. Đỗ Thanh Nhỏ. Ảnh: Nhóm nghiên cứu cung cấp
Dù việc phát triển các vật liệu như vậy đã có nhiều tiến bộ, song các nghiên cứu trước đây đều có những điểm hạn chế nhất định. Chẳng hạn, “những sợi cơ nhân tạo được điều khiển bằng nhiệt thì có tốc độ phản ứng rất chậm; sợi dùng hóa chất lại tạo ra lực rất yếu. Những sợi dùng cơ chế hoạt động khác như nước lại có kích thước rất to và khó có thể đan, dệt thành vải để thực sự ứng dụng trong cuộc sống”, TS. Nhỏ cho biết.
Thực tế này đã khiến cho nhóm của anh nhận ra, muốn khắc phục được các nhược điểm của những sợi cơ nhân tạo trước đây thì phải làm ra được sợi “giống cơ của con người nhất”. Trong hình dung của nhóm nghiên cứu, sợi cơ ấy sẽ có kích thước thật nhỏ và được dẫn động bằng nước để có tốc độ phản ứng nhanh và điều khiển dễ dàng.
Từ ý tưởng đó, sợi cơ nhân tạo mới do nhóm TS. Nhỏ phát triển có cấu trúc gồm hai lớp: lớp bên trong là một ống silicone nhỏ cỡ micromet để chứa chất lỏng, và lớp bên ngoài là một lò xo y tế xoắn dài để giữ cho ống bên trong không nở rộng theo chiều ngang. Với cách thiết kế như vậy, các sợi cơ của nhóm sẽ có thể được lập trình để co giãn tùy theo mục đích khi điều chỉnh áp suất thủy lực vào sợi cơ.
Trái với tưởng tượng của nhiều người, “phương pháp gia công này thực ra rất đơn giản”, TS. Nhỏ cho hay. “Tuy nhiên, cách kết hợp hai vật liệu trên là một cách rất mới, đó có thể là lý do mà nhiều nghiên cứu trước đây chưa nghĩ đến”. Nhờ tiếp cận điểm khó nhất trong nghiên cứu theo một hướng đi lạ, nhóm của TS. Nhỏ đã tạo ra được sợi cơ nhân tạo với những ưu điểm vượt trội so với trước đây. “Phương pháp này có thể dùng để sản xuất ra hàng loạt sợi cơ được điều khiển bằng thủy lực có chiều dài ít nhất vài mét và đường kính chỉ 0.5 milimet – có thể được xem là kích thước nhỏ nhất trên thế giới hiện nay”, anh cho biết.
Bông hoa và cánh bướm có thể chuyển động nhờ các sợi cơ nhân tạo. Ảnh: Nhóm nghiên cứu cung cấp
Không chỉ vậy, một điểm khác biệt nữa là sợi cơ này có tốc độ phản ứng (thay đổi hình dạng) rất nhanh và có thể được lập trình để điều khiển lực tạo ra ngay từ khi bắt đầu chế tạo thông qua việc thay đổi tỷ lệ co giãn của ống silicone bên trong. “Công nghệ này cũng giúp cho miếng vải khi được đan, dệt bằng sợi cơ có thể co giãn đa hướng và cũng có thể chuyển từ hình dạng 2D thành bất cứ hình dạng 3D nào mong muốn”, anh nói thêm.
Hướng đi của tương lai
Nhóm của TS. Nhỏ đã sử dụng sợi cơ nhận tạo để thử nghiệm sản xuất ra các mẫu vải thông minh theo hai phương pháp: cách thứ nhất là sử dụng các kỹ thuật truyền thống để bện, đan, dệt sợi cơ thành vải thông minh; và cách thứ hai là gắn trực tiếp sợi cơ vào các loại vải thông thường để tạo ra chuyển động mong muốn.
Với những ưu điểm nổi bật, công nghệ của nhóm TS. Nhỏ đã có đơn đăng ký sáng chế theo PCT (Hiệp ước Hợp tác về sáng chế) ở Úc, Mỹ, châu Âu, Nhật, và Trung Quốc. “Có thể nói công nghệ về cơ nhân tạo là một công nghệ nền, giống như động cơ của máy móc vậy, từ đó mình có thể mở rộng ứng dụng cho rất nhiều lĩnh vực”, TS. Nhỏ nhận định.
Các vật thể chuyển động nhờ cơ nhân tạo. Video: Nhóm nghiên cứu cung cấp
Một trong những ứng dụng ấy là những bộ quần áo thông minh có thể giúp cho người tàn tật phục hồi chức năng, “chẳng hạn như khi mang bộ đồ đó vào thì có thể đứng lên đi được hoặc có thể giúp tăng tuần hoàn máu cho người bệnh”, TS. Nhỏ cho biết. “Sản phẩm cũng có thể nâng cao sức mạnh cho người mặc, giúp cho một người bình thường chỉ có thể mang vác được khoảng 20kg nay có thể mang được vật nặng 50kg”. Trong một thí nghiệm gần đây, nhóm của TS. Nhỏ đã tạo ra một robot mềm làm từ sợi cơ nhân tạo có thể nâng các vật thể có trọng lương gấp 346 lần so với trọng lượng của nó.
Không chỉ vậy, công nghệ này còn có thể dùng để tạo ra các thiết bị mô phỏng cảm giác trong môi trường ảo, “giúp cho một người ở xa có thể cảm nhận được như mình đang chạm vào người thân ở phía bên kia màn hình hoặc bác sĩ phẫu thuật có thể điều khiển từ xa robot mổ mà cảm giác được như đang chạm trưc tiếp vào bệnh nhân”, TS. Nhỏ kỳ vọng. Và thực tế là hai năm trước, nhóm nghiên cứu của anh đã tạo ra được chiếc găng tay thông minh có chức năng như vậy nhờ vào việc sử dụng sợi cơ nhân tạo. Với việc thành công tạo ra một găng tay mô phỏng cảm giác, năm 2022, TS. Nhỏ đã nhận được giải thưởng trao tặng bởi Google (Mỹ) và là người Việt Nam duy nhất tại Úc nhận được giả thưởng này cho đến thời điểm hiện tại.
Và đáng chú ý hơn cả, sợi cơ này còn là một tiền đề để tạo ra những thiết bị y tế có thể cứu sống hàng ngàn người, chẳng hạn như một trái tim nhân tạo. Nhóm của TS. Nhỏ đã nhận được tài trợ của Quỹ tim mạch quốc gia Úc để nghiên cứu và phát triển một thiết bị vải y tế thông minh giúp cho trái tim của những người bị suy tim có thể bơm máu mà không bị đào thải trong quãng thời gian chờ đợi được ghép tạng.
Nhóm nghiên cứu của anh đang phối hợp chặt chẽ với các bệnh viện ở Sydney, Úc để có các tư vấn về mặt lâm sàng. Bên cạnh đó, nhóm vẫn tiếp tục các nghiên cứu để nâng cao hiệu quả của sợi cơ nhân tạo. “Hiện nay, sợi cơ của chúng tôi đang có kích thước khoảng 0.5 milimet. Dù kích thước này đã đủ để làm vải thông minh rồi nhưng mục tiêu mà chúng tôi mong muốn là có thể giảm được kích thước xuống khoảng nhỏ hơn 0.1 milimet để tương đương với kích thước sợi cơ thực sự của con người”.
Một thách thức nữa mà nhóm nghiên cứu cũng đang nỗ lực giải quyết, đó là việc chế tạo và tích hợp được một máy bơm mini làm hoàn toàn từ vật liệu mềm và hỗ trợ giao tiếp không dây để có thể điều khiển sản phẩm vải thông minh từ xa, chẳng hạn qua điện thoại thông minh. Dù ước chừng còn khoảng vài năm nữa mới có thể thương mại hóa, song anh tin rằng, “các ứng dụng của nó đã đang trên đường rồi và sẽ đến rất nhanh thôi”.