Phát hiện khối u tiềm ẩn trong cơ thể chỉ bằng cách sờ, bạn tin được không?

Da là cơ quan có diện tích lớn nhất cơ thể, là nơi tiếp xúc của não bộ với thế giới bên ngoài.

Đã bao giờ bạn thử tưởng tượng ra viễn cảnh làn da của mình có thể giao tiếp với những gì đang diễn ra trong cơ thể chưa? Chẳng hạn như nó có thể thông báo tới bác sĩ phẫu thuật, báo động khi cơ thể chúng ta bị ốm hay thậm chí chẩn đoán những căn bệnh tiềm ẩn trong người chỉ qua xúc giác.

Nhà khoa học Takao Someya thuộc đại học Tokyo đang trong quá trình biến điều không tưởng trên thành hiện thực.

Ông đã nghiên cứu ra một loại da điện tử (e-skin) cực kỳ nhạy cảm.

Loại da này “nhẹ tựa lông hồng”, tuy nhiên nó không hề mỏng manh mà rất dẻo dai, bền bỉ. Một ngày không xa, phát minh này hứa hẹn có thể thay đổi cục diện ngành y học thế giới.

Tấm da điện tử này siêu mỏng siêu nhẹ với độ dày dưới 2 micromet, nhẹ hơn cả một chiếc lông vũ nhưng rất nhạy cảm với áp lực và nhiệt độ.

Thực hiện sứ mệnh chăm sóc sức khỏe con người

Năm 2003, Giáo sư ngành Kỹ thuật điện Takao Someya thuộc đại học Tokyo đã nung nấu ý tưởng tưởng như mơ hồ về một loại da điện tử dành cho robot có khả năng nhận biết cảm xúc con người thông qua cái bắt tay.

Ông Someya thách thức tương lai bằng việc nuôi hi vọng trong thời gian tới đây, các bác sĩ có thể sử dụng loại găng tay từ da đặc biệt này phát hiện ra những khối u siêu nhỏ ẩn giấu bên trong bầu ngực phụ nữ bằng cách cảm nhận qua xúc giác. Vậy là từ đó trở đi, nhu cầu chụp chiếu có nguy cơ bị giảm hẳn và người bệnh có thể phát hiện u sớm hơn chỉ qua các buổi khám sức khỏe định kỳ.

Không dừng lại ở đó, da điện tử có thể được gắn trên cơ thể như một hình xăm hay một phụ kiện áo quần sẽ sớm được ứng dụng nhằm theo dõi những dấu hiệu đe dọa đến sự sống của chúng ta, đồng thời giúp các bác sĩ chẩn đoán sớm hơn những cơn đau tim bằng cách theo dõi dấu hiệu từ tim của bệnh nhân. Đây cũng là kế hoạch tiếp theo của ông Someya trong những năm tới đây.

Tuy nhiên, ban đầu ông lại hướng đến đối tượng là robot chứ không phải con người.

Theo lời ông Someya, một trong những mục đích chế tạo ra e-skin chính là khiến con người quên đi mình đang gắn nó trên cơ thể.

“Tôi thường hay tưởng tượng viễn cảnh robot có khả năng biểu hiện cảm xúc giống như con người, thể hiện niềm yêu thích hay nỗi buồn chẳng hạn”. Theo ông, chế tạo da điện tử cho robot sẽ là một xu hướng nghiên cứu thịnh hành bên cạnh thị trường ngành điện tử đang bị bão hòa do trước giờ chỉ tập trung vào việc thu nhỏ và tăng tốc độ hoạt động của máy móc.

Đó là việc của 15 năm trước đây.

Hiện tại, thời thế đã thay đổi.

Bước đầu thực hiện điều không tưởng

“Đầu thế kỷ 21, khi tôi bắt đầu nghiên cứu, đồ điện tử đa năng lúc ấy trở nên rất thịnh hành, tuy nhiên hầu hết mọi người cứ đổ xô vào phát triển giấy điện tử e-paper. Còn tôi thì lại muốn tạo ra thứ gì đó khác biệt với đám đông”.

Da nhân tạo đã xuất hiện rồi, nhưng chất lượng không tốt lắm. Da loại này có thể cảm nhận được nhiệt độ và áp suất tuy nhiên lại không linh hoạt và hầu hết chỉ dựa vào các chất liệu điện tử cứng nhắc chỉ cho phép thực hiện một vài chức năng. Ngoài ra, giá thành đắt đỏ cũng khó mà sản xuất số lượng đủ để bao phủ một con robot được. Vì thế, ông Someya mong muốn có thể giải quyết được những hạn chế đó, tuy nhiên điều này không đơn giản chút nào.

Tiếp cận loài người

Da người có cấu tạo vô cùng phức tạp và không dễ bắt chước.

Nếu trải rộng, diện tích trung bình lớp da một người trưởng thành rộng khoảng 2m² với hơn 2 triệu thụ cảm đau – một con số không nhỏ.

Ông Someya biết rõ nếu kết nối 2 triệu cảm biến với mạch điều khiển bằng dây điện đơn thuần sẽ giết chết khả năng nhanh nhạy của da điện tử.

Lớp da có thể uốn dễ dàng trên một bề mặt cong.

Ông cho rằng để một bộ da linh hoạt đòi hỏi phải được điều khiển bằng ý nghĩ linh hoạt. Vì thế ông đã tiến hành bắt tay vào thực hiện điều không tưởng – phát triển trí tuệ nhân tạo.

Năm 2003, ông bước đầu thực hiện hoán đổi chất liệu điện tử tồn tại ở thể rắn (chẳng hạn như silicon) với chất liệu hữu cơ linh hoạt như dinaphtho thieno thiophene (DNTT) – chất liệu thường được sử dụng trong dải băng bảo mật trên các tờ tiền giấy.

Đầu tiên, ông tiến hành kết nối các cảm biến có khả năng cảm nhận áp lực và nhiệt độ khoảng 30^oC – 80^oC với hệ thống dây bán dẫn hữu cơ mềm mại tự nhiên và tương thích sinh học rất lý tưởng cho da điện tử.

Sau đó, ông đặt chất liệu này lên trên một hệ thống lưới “ma trận động” vốn được sử dụng cho màn hình LCD, cho phép mỗi cảm biến được cố định trên một vị trí trên lưới. Như vậy, hệ thống dây điện sẽ không bị rối tung.

Thiết kế dựa trên các cảm biến hữu cơ và dây bán dẫn đặt trong một mạng lưới trên bề mặt siêu mỏng.

Ứng dụng cảm biến nhận biết áp lực

Trong khi các đồng nghiệp của ông đặt cảm biến lên trên bề mặt ở thể rắn như tấm kính siêu mỏng và lá thép thì ông và cộng sự lại chọn tấm film bằng nilon. Tấm nilon với đặc tính thô ráp và giá thành rẻ có thể cuốn quanh ngón tay kim loại nhỏ hẹp của robot mà không gây hư hỏng gì.

Trông có vẻ giống như tờ giấy bọc sô cô la nhưng lại có cấu tạo vô cùng phức tạp với vô số các vi mạch cũng như hệ thống các cảm biến có thể gắn trên người nhằm mục đích chăm sóc sức khỏe. Trong ảnh là ông Someya với phát minh của mình.

Thử nghiệm này đánh dấu sự xuất hiện của bộ da điện tử siêu mỏng siêu nhạy đầu tiên trên thế giới.

Khả năng kéo giãn từng chỉ là tưởng tượng

Mặc dù vậy, vấn đề nổi cộm nhất vẫn chưa được giải quyết: loại da điện tử này không có khả năng đàn hồi.

Thời điểm đó, một đội ngũ các nhà khoa học do Giáo sư Sigurd Wagner dẫn đầu thuộc đại học Princeton, Mỹ đã tiến hành chế tạo da điện tử trên bề mặt cao su có khả năng co giãn.

Ông Someya và cộng sự sớm tiếp thu điều này và bắt đầu in phun lưới cảm biến hữu cơ lên bề mặt film nilon sau đó dàn mỏng thành lá và xếp lên trên một bề mặt cao su trước khi thực hiện kéo giãn.

Thoạt tiên khi tấm cao su bị kéo ra, tấm film co lại nhăn nhúm giống như da người. Sau đó khi bị kéo giãn một lần nữa, tấm film lúc này đã có thể giãn ra. Chất liệu này có thể uốn quanh các rãnh khớp nối của robot có chức năng như một lớp màng dính kết nối với cánh tay của nó.

Hiện tại, lưới cảm biến của ông có thể kéo giãn tới 250% dù vẫn có vẻ nhàu nát như tờ giấy nhưng có khả năng duy trì nguyên vẹn khi rơi ở độ cao 1 mét.

Nó vẫn không hề hấn gì sau khi bị bóp chặt thế này.

“Đây quả thực là một bước nhảy vọt thần kỳ đối với chúng tôi”, ông cho biết. Quá trình hoàn thiện vẫn đang ở phía trước.

Có thể hơi vô lý nhưng lớp da điện tử càng mỏng thì càng trở nên dẻo dai. Trong vòng 8 năm, từ 2005 – 2013, ông Someya và cộng sự đã làm việc không ngừng nghỉ để chế tạo ra lớp da điện tử trên những tấm film với độ dày ngày càng ít đi, cho đến khi nó chỉ còn có 1 micromet – bằng 1/10 tờ giấy nilon.

Độ nhạy cảm của loại da này hiện tương đương với da chúng ta.

“Thời điểm này chúng tôi nghĩ rằng da điện tử không nên chỉ dành riêng cho robot. Vì thế chúng tôi bắt đầu đặt những tấm film siêu mỏng lên bề mặt da người”.

Bước tiến vượt trội

Năm 2014, nhóm nghiên cứu tiến hành đặt một lớp da điện tử lên tim chuột trong suốt quá trình giải phẫu kéo dài 3 giờ đồng hồ. Thông qua máy ghi điện tim (thiết bị ghi lại hoạt động điện thế cơ tim) với dấu hiệu khả quan, lớp da này đã nhận dạng chính xác vị trí khiếm khuyết tồn tại trong quả tim con chuột đó.

Năm 2008, phát minh đã được cải tiến với khả năng nhạy bén và kéo giãn tùy ý dựa trên sự tích hợp một tấm chứa các ống nano carbon có thể tạo ra điện năng.

Ông Someya cho rằng: “Loại công nghệ này có thể áp dụng cho con người trong tương lai”. Nhờ có da điện tử, tim chúng ta sẽ không phải chịu nhiều áp lực như sử dụng điện cực thông thường.

Giáo sư kỹ thuật hóa học Zhenan Bao thuộc đại học Stanford hiện đang phát triển loại chất liệu có thể bị phân hủy dành riêng cho loại da khi đó chúng ta sẽ không cần phải thực hiện gỡ bỏ chúng ra khỏi cơ thể sau khi được cấy ghép.

Theo như ông Bao, “những thiết bị y tế có thể cấy ghép vào cơ thể chúng ta thừa khả năng đo chính xác dòng điện qua tim, kích thước các bộ phận và thay đổi của chúng theo thời gian. Loại thiết bị này còn có thể đo áp lực trong não bộ con người”.

Năm 2015, nhóm nghiên cứu của ông Bao đã ra mắt một loại giấy dành cho cảm biến tiệm cận siêu âm (đã thử nghiệm trên robot giúp tránh va chạm với các đồ vật khác) ứng dụng trong công tác phát hiện những khối u siêu nhỏ trong cơ thể người mà da người bình thường không cảm nhận được. “Bác sĩ đeo găng da điện tử có trang bị loại cảm biến này sẽ rất có khả năng phát hiện ra khối u tiềm ẩn trong bầu ngực bệnh nhân hay trong một mô có mật độ khác thường”.

Khoảng đầu năm nay, nhóm của ông Someya tiết lộ rằng một lớp da điện tử có thể giám sát mức khí Oxy trong cơ thể. Số liệu thống kê sẽ được hiển thị thông qua các yếu tố vi điện tử có khả năng hiện 3 màu đỏ, xanh lá và xanh lam. Lớp da điện tử siêu mỏng gắn trên bàn tay bạn sẽ chuyển thành một màn hình kỹ thuật số hiển thị thông tin cần biết. Ngoài ra, nó còn có thể phục vụ mục đích thương mại như một phương tiện truyền thông.

Ứng dụng thực tiễn

Ông Someya hi vọng rằng loại da điện tử này sẽ được sử dụng để kiểm soát lượng khí Oxy lưu thông trong các bộ phận cơ thể trong suốt quá trình diễn ra phẫu thuật.

Tuy nhiên, một ứng dụng khác của da điện có thể được phát triển trong thời gian tới, chính là cải thiện khả năng hoạt động của các bộ phận giả. Nếu gắn lớp da này dưới bắp tay người, nó có thể phát hiện những dấu hiệu được phát ra từ não bộ và truyền tín hiệu chi phối đến cánh tay giả và khiến nó cử động.

Nhóm nghiên cứu của ông Someya hi vọng công nghệ này có thể giúp bộ phận giả và não bộ tương tác với nhau hiệu quả hơn.

Với khả năng vô hạn, phát minh này không chỉ phục vụ cho ngành y học mà còn lấn sang ngành dịch vụ trò chơi thực tế ảo và phục vụ quá trình giám sát sức khỏe cá nhân.

Không chỉ dành cho y học

Tháng 11 năm ngoái, ông Someya mời anh Ichiro Amimori – thành viên nhóm nghiên cứu của ông tới khánh thành một công ty riêng sau khi hoàn thành công việc tại phòng thí nghiệm Someya. Tại hội chợ công nghệ lớn nhất thế giới CES năm 2016, Amimori đã trình làng bộ đồ mô phỏng chuyển động dành cho các loại trò chơi thực tế ảo.

Dù là máy móc nhưng nó có thể giặt giũ bình thường, bộ đồ này có gắn các cảm biến theo dõi chuyển động, hơi thở và nhiệt độ cơ thể thiết kế dưới dạng một bo mạch gắn bên trong các lớp vải.

Naoji Matsuhisa – sinh viên ngành bác sĩ đa khoa thuộc đại học Tokyo cùng với thiết bị phát điện có khả năng đàn hồi được in phun lên một mảnh vải có thể kéo giãn với độ dài gấp 3 lần so với ban đầu.

Amimori cho biết: “Người chơi có thể làm chủ trò boxing bằng chuyển động cơ thể của chính mình”.

Đội ngũ nghiên cứu của anh hiện cũng phát triển bộ đồ cảm biến chuyển động dành riêng cho trẻ nhỏ, cho phép các ông bố bà mẹ theo dõi nhất cử nhất động của con mình khi họ không ở trong phòng.

“Hiện tại những sản phẩm này mới chỉ trong thời kỳ sơ khai, còn cả một quãng đường dài trước mắt. Tuy nhiên, đích đến đang tiến lại gần hơn. Chính ý tưởng khoa học của Someya là kim chỉ nam để chúng tôi thực hiện sứ mệnh biến chúng thành hiện thực”.

Kể từ khi có được bước đột phá trong ngành công nghệ, ông Someya chia sẻ rằng lĩnh vực nghiên cứu da điện tử đã thực sự bùng nổ với sự tham gia của nhiều đội ngũ khoa học khắp nơi trên thế giới cùng nghiên cứu khắc phục những nhược điểm, từng bước cải thiện để có thể đeo, gắn loại da này lên người. Ước vọng một thời của ông về một nền công nghệ với những bước tiến vĩ đại giờ lại trở về với mục tiêu ban đầu: hợp nhất con người với công nghệ.

“Mục tiêu sau cùng và cũng là ước vọng của chúng tôi chính là hòa hợp loài người và robot thông qua việc tận dụng triệt để phần mềm điện tử. Do đó con người có thể tiến gần hơn tới robot và robot cũng tiến gần hơn tới con người”, ông Someya kết luận.

Tham khảo: CNN