HOA KỲ – Các kỹ sư tại đại học Penn State (Pennsylvania State university) đã kết hợp nghệ thuật và khoa học để tạo ra những hình xăm dạng sơn vẽ (paint – on) độc đáo. Công nghệ này có thể giúp phát hiện sớm các cơn đau tim, vận hành chân tay giả tự động và đọc sóng não, tất cả trong một hệ thống tùy biến nhiều màu sắc, dễ dàng rửa sạch hoặc vẽ lại khi cần.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và đăng ký bằng sáng chế tạm thời cho một loại mực dẫn điện có khả năng cấp nguồn cho cảm biến và được vẽ trực tiếp lên da. Loại mực này có thể pha màu bằng bất kỳ phẩm màu mong muốn nào, đồng thời sử dụng các vật liệu giúp liên kết tốt hơn với bề mặt da. Nhờ đó, chúng không chỉ mang tính thẩm mỹ mà còn nhạy hơn, bền hơn và chính xác hơn so với các thiết kế cảm biến đeo truyền thống. Chi tiết công trình đã được nhóm công bố trên tạp chí của viện hàn lâm khoa học quốc gia Hoa Kỳ.

Ông Larry Cheng, Giáo sư kỹ thuật khoa học và cơ học tại đại học Penn State, đồng thời là tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết các công nghệ y tế dạng đeo hiện nay hoạt động nhờ các tiếp điểm điện cực gắn trên cơ thể. Các điện cực này có thể ghi lại các tín hiệu điện sinh lý khác nhau do cơ thể tạo ra, từ đó phân tích tình trạng sức khỏe cũng như hoạt động của tim, cơ bắp và não bộ.

Các thiết kế điện cực truyền thống thường sử dụng vật liệu gốc kim loại cứng cáp giúp đảm bảo độ ổn định, nhưng lại gặp khó khăn trong việc bám dính trên da khi cơ thể chuyển động hoặc vận động thể thao. Nhiều thiết kế thử nghiệm, bao gồm những nghiên cứu mà Giáo sư Cheng theo đuổi suốt hơn một thập kỷ qua, sử dụng hydrogel, một loại vật liệu mềm xốp dạng gel có khả năng hấp thụ nước và trương nở để co giãn theo chuyển động của cơ thể. Tuy nhiên, vật liệu này lại dễ bị mất nước theo thời gian, khiến điện cực giảm độ bám dính và mất đi tính đàn hồi khi sử dụng lâu dài.

Cô Wanqing Zhang, ứng viên tiến sĩ ngành khoa học kỹ thuật và cơ học, tác giả chính của bài báo, chỉ ra rằng việc các cảm biến ghi lại kết quả kém chính xác không chỉ do điện cực bị bong tróc, mà còn xuất phát từ chính quy trình dán chúng lên da. Nhiều cảm biến thương mại hiện nay rất khó ghi nhận chính xác những biến đổi bên trong cơ thể, đặc biệt là khi tiếp xúc với những vùng da có nhiều lông hoặc mồ hôi.

Cô Zhang giải thích: “Hầu hết các điện cực thương mại đều được chế tạo sẵn trong phòng thí nghiệm hoặc nhà máy rồi mới dán lên da. Điều này tạo ra một khoảng hở không khí giữa da và điện cực, làm ảnh hưởng xấu đến hiệu suất thu nhận tín hiệu. Để khắc phục vấn đề này, nhóm đã phát triển một loại mực dẫn điện có thể vẽ trực tiếp lên da. Sau khi khô, nó sẽ hoạt động như một điện cực hoàn chỉnh.”

Thay vì dùng miếng dán đơn điệu, hãy cầm cọ và tự vẽ thiết kế riêng
Để tạo ra loại mực này, nhóm nghiên cứu đã trộn nhiều loại polymer (nhựa) khác nhau cùng các chất phụ gia gốc axit vào dung dịch nước. Cô Zhang cho biết khi còn ướt, dung dịch có độ đặc tương tự như keo dán, nhưng có thể khô hoàn toàn trên da trong chưa đầy 10 phút. Quá trình làm khô này có thể tăng tốc nếu dùng máy sấy tóc.

Giáo sư Cheng chia sẻ: “Bản thân loại mực này hoạt động giống như sơn vẽ mặt nghệ thuật. Ban đầu nó trong suốt, nhưng có thể dùng phẩm màu thực phẩm để pha thành bất kỳ màu sắc nào như mong muốn và vẽ bất kỳ hình dạng nào. Điều này giúp cá nhân hóa thiết bị đeo theo đúng sở thích của mỗi người.”

Bên cạnh khả năng tùy biến cao, nhóm nghiên cứu cho biết các cảm biến vận hành bởi các điện cực này có độ nhạy cao. Cô Zhang giải thích việc vẽ trực tiếp vật liệu lên da giúp nó ôm sát hoàn hảo theo từng đường nét cấu trúc của da, từ đó nâng cao chất lượng đo lường.

Để tăng cường độ liên kết ổn định giữa điện cực và bộ cảm biến, một phần kết nối của điện cực sẽ được vẽ đè lên một dải vải dệt bằng bạc có cấu trúc xốp được đặt sẵn trên da. Mực ướt sẽ thấm sâu vào các lỗ xốp của dải vải trước khi đóng rắn và bám chặt vào bề mặt da. Phần kết nối này sau đó được kẹp vào một cổng trên mô-đun điện tử lớn hơn, vốn được dán cố định trên da bên dưới lớp quần áo. Mô-đun này sẽ truyền không dây các tín hiệu điện do mực thu thập về máy tính thông qua kết nối bluetooth.

Cấu trúc xốp của dải vải dệt cho phép các điện cực co giãn hơn 150% kích thước ban đầu mà không bị nứt gãy, đồng thời bám dính đều hơn trên bề mặt da để ghi lại tín hiệu điện một cách hiệu quả.

Giáo sư Cheng nói rằng: “Khi sử dụng các vật liệu khác qua nhiều ngày, mồ hôi và độ ẩm sẽ tích tụ tại bề mặt tiếp xúc của điện cực, dễ gây kích ứng hoặc làm rơi điện cực khỏi da. Bằng cách sử dụng cấu trúc xốp, nhóm cho phép độ ẩm hoặc lông da thoát ra dễ dàng hơn, giúp điện cực dẫn điện tốt hơn, bám dính chắc hơn và mang lại cảm giác thoải mái hơn khi đeo.”

Trong một thử nghiệm, nhóm đã chứng minh các điện cực dạng sơn có thể theo dõi hiệu quả tín hiệu điện tâm đồ (ECG) của một đồng tác giả trong suốt các hoạt động thường ngày suốt 12 giờ. Ở một bài kiểm tra khác, một đồng tác giả khác đã ghi lại chỉ số trong quá trình tập thể dục, chứng minh rằng điện cực vẫn duy trì độ bám dính và độ chính xác ngay cả khi vận động mạnh. Trong một thử nghiệm khác, nhóm đã theo dõi tín hiệu điện cơ (EMG) ở cẳng tay và đưa dữ liệu vào một cánh tay robot giả, giúp người đeo điều khiển bàn tay robot cử động mà không cần chạm vào.

Giáo sư Cheng khẳng định: “Mặc dù nhóm mới thử nghiệm ứng dụng thực tế trong vòng 12 giờ, nhưng đó chưa phải là giới hạn tối đa của các điện cực này. Bản thân các điện cực có thể rửa sạch và vẽ lại một cách dễ dàng. Ý tưởng lớn đằng sau công trình này là trong tương lai, các khách hàng có thể sở hữu một mô-đun cảm biến đắt tiền nằm riêng biệt, còn bản thân các điện cực có thể dùng rồi bỏ. Chỉ với một lọ mực đơn giản, các khách hàng đã có đủ vật liệu để vẽ nhiều điện cực sử dụng trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần.”

Nhóm nghiên cứu dự định sẽ tiếp tục phát triển các điện cực này nhằm hướng tới khả năng cảm biến y tế nâng cao cho các chỉ số sinh học như cortisol hoặc glucose. Giáo sư Cheng cho biết ngoài việc tìm kiếm con đường thương mại hóa cho các đơn vị cung cấp dịch vụ y tế như bác sĩ nhi khoa, nhóm cũng đang nghiên cứu các ứng dụng độc đáo khác, đặc biệt là trong lĩnh vực thực vật học để tạo ra các cây trồng thông minh, giúp các nhà khoa học thu thập thông tin chi tiết về mức độ tiếp xúc hóa chất trong môi trường và tác động của chúng đối với sức khỏe cây trồng.

Để xem các tin bài khác về “Cảm biến đeo”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online