Da điện tử: Vật liệu của tương lai

Da là cơ quan bên ngoài lớn nhất của cơ thể con người, và cũng là cơ quan phức tạp nhất. Hãy quan sát lớp da dưới kính hiển vi, bạn sẽ thấy hàng ngàn dây thần kinh chằng chịt giúp não kết nối với thế giới bên ngoài, cho phép chúng ta cảm nhận được những đụng chạm, áp lực và nỗi đau. Song với riêng nhà khoa học Zhenan Bao, bà nhìn làn da theo một cách khác.

Đối với GS. Bao, một kỹ sư hóa học chuyên nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer, da không chỉ là giác quan, mà còn là một loại vật liệu. Theo cách nói của bà thì đó là một thứ linh hoạt, có thể co giãn, tự phục hồi, hay thậm chí là có thể phân hủy sinh học. Hiện tại, bà đang làm việc trong một lĩnh vực mới nổi - da điện tử, nhằm hiện thực hóa mong muốn tái tạo các chức năng của da người, từ đó áp dụng vào các bộ phận cơ thể nhân tạo cho con người và linh kiện cho người máy. Đối với những người đang phải đeo chân tay giả, xúc giác sẽ cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống của họ. Họ sẽ có thể phân biệt vật mềm, vật cứng, nhận biết vật sắc nhọn nguy hiểm hay cảm nhận được mức độ nóng có thể gây bỏng. Nói cách khác, xúc giác sẽ giúp giảm thiểu các rủi ro có thể xảy đến.

GS. Bao nhận bằng tiến sĩ Hóa học tại Đại học Chicago vào năm 1995. Con đường trở thành người tiên phong trong lĩnh vực vật liệu điện tử linh hoạt của bà bắt đầu vào thời điểm bà gia nhập công ty đổi mới công nghệ Bell Labs. Lúc bấy giờ, vật liệu điện tử linh hoạt vẫn là một giấc mơ viển vông. Nhưng trong tám năm làm việc ở đây, bất chấp những hồ nghi, GS. Bao đã thành công thiết kế màn hình điện tử có thể gập lại - được điều khiển bởi các bóng bán dẫn hữu cơ.

Song GS. Bao tin rằng lĩnh vực điện tử linh hoạt vẫn còn nhiều tiềm năng để khai phá. “Nhiều bác sĩ chia sẻ với tôi rằng họ mong muốn có các loại cảm biến giúp các bệnh nhân phải mang chân tay giả lấy lại được xúc giác. Tôi chợt nghĩ lĩnh vực điện tử linh hoạt có thể là một giải pháp tiềm năng”, bà nhớ lại. Tuy nhiên, để làm được điều đó, bà biết rằng mình sẽ phải mất rất nhiều năm để nghiên cứu trước khi đưa ra ứng dụng rộng rãi.

Bà quyết định gia nhập Đại học Stanford vào năm 2004. Khi ấy, một số nhà khoa học đang nghiên cứu những cảm biến linh hoạt có thể quấn quanh một bàn tay giả để mô phỏng xúc giác. Từ những kinh nghiệm trước đó của mình về màn hình uốn dẻo linh hoạt, bà đã đưa ra nhiều ý tưởng hữu ích. Đến năm 2010, GS. Bao và các đồng nghiệp đã phát triển thành công một loại cảm biến linh hoạt nhạy đến mức nó có thể phát hiện ra cú chạm nhẹ của một con bướm đang bay.

“Các thiết bị điện tử hiện tại của chúng ta rất cứng, giòn và cồng kềnh”, bà nói. “Nhưng nếu chúng ta có thể khiến các thiết bị này trở nên mỏng, mềm như da, thì chắc chắn rằng chúng ta sẽ thay đổi hoàn toàn cách con người tương tác và giao tiếp với thiết bị điện tử”.

GS. Bao hiểu rằng việc phát triển cảm biến mô phỏng xúc giác cho bộ phận cơ thể nhân tạo và linh kiện robot là một hành trình dài hơi. Trên chặng đường hiện thực hoá điều đó, bà đã liên tục phát hiện thêm những tiềm năng mới của da điện tử, chẳng hạn trong lĩnh vực thiết bị đeo. Hãy tưởng tượng một thiết bị được đeo trên cơ thể hệt như lớp da thứ hai, sử dụng các cảm biến để đo chính xác huyết áp, nhiệt độ, nồng độ glucose và oxy theo thời gian thực. “Ngày nay, mọi người mong muốn thiết bị đeo có thể theo dõi những chỉ số khác, chứ không chỉ đo số bước chân chúng ta đi bộ mỗi ngày hay nhịp tim”, bà lý giải.

Từ những phát hiện về cảm biến mô phỏng xúc giác, năm 2016, GS. Bao đã sáng lập nên công ty PyrAmes. Công ty hiện đang phát triển một loại băng mềm quấn quanh cổ tay hoặc bàn chân, có thể theo dõi huyết áp của trẻ sinh non trong các khu vực chăm sóc đặc biệt. Nó có khả năng ghi lại lưu lượng máu liên tục mà không cần bộ đo huyết áp động mạch xâm lấn - vốn phải dùng đến kim tiêm có thể gây ra những tổn thương cho trẻ. Loại băng này được kết nối không dây với máy tính bảng để thay dõi sự thay đổi huyết áp trong thời gian thực.

Nếu muốn ôm sát vào cơ thể, thiết bị điện tử phải có khả năng co giãn và linh hoạt ngay từ đầu. Với suy nghĩ đó, GS. Bao và các đồng nghiệp đã thực hiện một phương pháp phân tử để thiết kế các polymer hữu cơ. Polymer là một phân tử lớn được tạo thành từ nhiều monome lặp lại được liên kết với nhau giống như một chuỗi kẹp giấy. Bằng cách thay đổi cấu trúc của các monome này, các nhà nghiên cứu khiến vật liệu có thể co giãn và định hình để phù hợp trên cơ thể người, hay thậm chí là bên trong cơ thể người.

GS. Bao đã dành trọn sự nghiệp của mình cho các thiết bị điện tử “lấy cảm hứng từ làn da”. Kể từ năm 2018, bà là chủ nhiệm bộ môn Kỹ thuật hóa học của Đại học Stanford, đồng thời là người thành lập Sáng kiến Thiết bị Điện tử Đeo được tại Stanford (eWEAR), một chương trình tập hợp các nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực vật liệu, điện tử, hệ thống, dữ liệu và y tế; sáng kiến hướng đến kết nối các nhà khoa học với doanh nghiệp trong lĩnh vực này. Bản thân bà đã có hơn 100 bằng sáng chế của Hoa Kỳ.

Ngoài ra, GS. Bao và các đồng nghiệp của bà tại ĐH Stanford đang nghiên cứu vật liệu polymer dành cho màn hình có thể co giãn, gấp lại, thậm chí là nhàu nát.

Hầu hết các polymer phát sáng đều cứng và nứt khi kéo dài. Các nhà khoa học có thể tăng tính linh hoạt của chúng bằng cách thêm các vật liệu cách điện đàn hồi, chẳng hạn như cao su. Nhưng những chất phụ gia này làm giảm tính dẫn điện, đòi hỏi polymer phải sử dụng điện áp cao nguy hiểm để tạo ra ánh sáng mờ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của GS. Bao đã phát hiện ra rằng một loại polymer phát sáng màu vàng có tên SuperYellow không chỉ trở nên mềm và dẻo mà còn phát ra ánh sáng rực rỡ hơn khi trộn với một loại polyurethane - nhựa co giãn. Không giống như việc thêm cao su, mạng lưới sợi nano liên kết với nhau khiến SuperYellow co giãn mà không cản trở dòng điện – và đây chính là chìa khóa để phát triển màn hình sáng. Sau khám phá này, nhóm cũng tạo ra các polymer đàn hồi phát sáng màu đỏ, lục và lam.

Vào tháng 3/2022, sau hơn ba năm nghiên cứu, họ đã công bố trên tạp chí Nature bằng chứng về nguyên tắc của một loại polymer phát sáng giống như dây tóc trong bóng đèn. “Khi gặp phải những vấn đề khó khăn hay trở ngại, nhóm của tôi không dễ dàng bỏ cuộc”, bà nói. “Thông thường, một khi chúng tôi xác định được các vấn đề cơ bản, chúng tôi sẽ lập tức lao vào phát triển các giải pháp mang tính đột phá”.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng thiết bị của họ có thể được đeo trên đốt ngón tay và có khả năng 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 dáng,” GS. Bao nói. Hiện tại, thiết bị mới chỉ dừng lại ở việc hiển thị hình ảnh tĩnh với độ phân giải thấp, nhưng đây sẽ là cơ sở để các thiết bị điện tử đeo trên cơ thể trong tương lai ra đời - có khả năng đo và hiển thị các dấu hiệu sinh tồn.

Da điện tử mở ra rất nhiều ứng dụng tiềm năng, GS. Bao nhận xét, nhưng con đường thương mại hóa còn dài. Bà vẫn luôn nung nấu ý tưởng phát triển thiết bị điện tử có thể mang lại lợi ích cho lĩnh vực 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. Không chỉ hướng đến những nghiên cứu dài hơi, bà còn tập trung vào các nghiên cứu nhỏ giúp phát triển từng khía cạnh riêng lẻ: cảm biến, mạch và các vật liệu dẻo, co giãn và có khả năng phân huỷ sinh học. Theo bà, đó là điều cần thiết, “nếu muốn lĩnh vực này phát triển lâu dài, chúng tôi cần chứng tỏ rằng mình có thể tạo ra tác động trong tương lai gần”.

Theo Wired, Investors