Sợi vi mô thông minh biến đồ vật hằng ngày thành thiết bị y tế và năng lượng

Sợi vi mô thông minh biến đồ vật hằng ngày thành thiết bị y tế và năng lượng
Đại học Cambridge | Biên tập: Lisa Lock, rà soát: Andrew Zinin

Một nghiên cứu mới do Đại học Cambridge dẫn dắt, phối hợp với Đại học Khoa học & Công nghệ Hồng Kông (GZ) và Đại học Queen Mary London, đã mở ra một phương pháp in sợi vi mô dẫn điện siêu mỏng có thể thay đổi cách con người tương tác với các công cụ và thiết bị hằng ngày.

Biểu đồ: Ứng dụng của sợi vi mô thông minh

• Wearable breath & gas sensors (Cảm biến hơi thở & khí đeo được)
  Ứng dụng trong thiết bị đeo tay, khẩu trang và các cảm biến môi trường.

• Daily biopotential monitoring (Giám sát sinh học hằng ngày)
  Theo dõi tín hiệu điện sinh học như ECG (điện tâm đồ) và sEMG (điện cơ bề mặt) trong các hoạt động hằng ngày: viết, sử dụng dụng cụ, tương tác với robot.

• Energy conversion & electrodes (Chuyển đổi năng lượng & điện cực)
  Ứng dụng trong chuyển đổi năng lượng, lưu trữ và thiết bị điện cực.

• In situ orbital spinning (Quay sợi tại chỗ)
  Quy trình sản xuất sợi vi mô thích ứng, có thể in trực tiếp trên bề mặt dạng:

  • Suspended (treo lơ lửng)

  • Curved (bề mặt cong)

  • Porous (xốp)

Giải pháp chức năng (Functional solutions):
Các sợi vi mô dẫn điện có thể tích hợp nhiều chức năng thông minh vào vật dụng hàng ngày, biến chúng thành thiết bị y tế hoặc năng lượng.

Sợi mỏng hơn cả sợi tóc người

Những sợi này có đường kính từ nano đến micro, mỏng hơn tóc người và có thể được điều chỉnh linh hoạt để bổ sung khả năng cảm biến, chuyển đổi năng lượng và kết nối điện tử trên nhiều loại vật liệu như thủy tinh, nhựa hay da. Thậm chí, nhóm nghiên cứu còn áp dụng thành công trên các vật liệu đặc biệt như aerogel graphene xốp.

Quy trình in 3D thích ứng một bước

Nhóm phát triển quy trình in 3D mới, gọi là lắng đọng sợi thích ứng một bước, cho phép phủ trực tiếp lớp dẫn điện lên bề mặt theo hình dạng vật thể. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Fiber Materials.

Các lớp sợi trong suốt này có thể ghi lại tín hiệu điện tâm đồ (ECG) và điện cơ bề mặt (sEMG) theo thời gian thực. Các thử nghiệm được tiến hành trên bàn tay robot, bút chì và kìm kẹp.

Ứng dụng minh họa

• Bàn tay robot: 400 sợi PEDOT:PSS được in quấn quanh ngón tay robot. Khi ngón tay người chạm vào, robot có thể đo tín hiệu ECG, chứng minh tiềm năng của “da điện tử” giúp robot và tay giả có khả năng cảm nhận như con người.

• Bút chì và kìm: hàng trăm sợi được quấn quanh cán bút chì và kìm. Khi người tham gia viết hoặc cắt vật cứng, hệ thống ghi lại tín hiệu sEMG từ gân ngón cái, hỗ trợ cảnh báo khi có hoạt động bất thường.

Tiềm năng ứng dụng

• Chăm sóc sức khỏe từ xa: robot hoặc công cụ cầm tay có thể đo nhịp tim, cơ bắp của người cao tuổi mà không cần thiết bị đeo.

• Môi trường nguy hiểm: công nhân dùng kìm trong môi trường điện, hóa chất hoặc nhiệt cao có thể được theo dõi sức khỏe để phát hiện sớm rủi ro tim mạch, mệt mỏi hay rối loạn nhịp tim.

• Hợp tác người – robot: dữ liệu sinh học của con người có thể giúp robot điều chỉnh hành vi, ví dụ giảm tốc độ nếu phát hiện người đang căng thẳng.

Giáo sư Shery Huang, trưởng nhóm nghiên cứu Biointerface tại Cambridge, nhấn mạnh: “Các điện cực sợi khô này bền, có thể xóa bỏ sau khi sử dụng mà không làm hỏng bề mặt. Phương pháp của chúng tôi mở đường cho một tương lai ‘Fiber-of-Things’, cách mạng hóa chẩn đoán y khoa, điều trị và cả công nghệ đeo thông minh.”