Da giả gửi tín hiệu áp lực tác động lên chúng về não

Một loại da “nhựa” mới có thể phát hiện lực ép vào nó và tạo ra một tín hiệu điện để gửi cảm giác này trực tiếp đến tế bào não.

Công việc tiến một bước mới với việc tái tạo một khía cạnh của cảm giác, loại cơ chế cảm giác cho phép chúng ta phân biệt sự khác nhau về áp suất giữa một cái bắt tay mềm nhũn và rắn chắc.

Zhenan Bao, một giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Stanford, đã dành một thập niên để cố gắng phát triển một loại vật liệu giống như da có thể đàn hồi và tự lành, trong khi nó cũng có một mạng lưới cảm giác gửi các tín hiệu về cảm giác tiếp xúc, nhiệt độ và sự đau đớn lên bộ não. Cuối cùng, cô muốn tạo ra một loại vải điện tử mềm dẻo được nhúng với bộ cảm biến có thể bọc ngoài một chân tay giả và nó có thể tái tạo một số chức năng cảm giác của da.

“Đây là lần đầu tiên một loại chất liệu mềm dẻo giống da có thể phát hiện áp lực và truyền tín hiệu đến một phần hệ thống thần kinh“, Bao nói.

Mốt chốt của kỹ thuật này là một cấu trúc có hai lớp nhựa: lớp trên cùng tạo ra cơ chế cảm ứng và lớp dưới cùng hoạt động như mạch điện vận chuyển tín hiệu điện và dịch chúng thành các kích thích sinh hóa tương thích với các tế bào thần kinh. Lớp trên cùng của sản phẩm mới này có tính năng như một bộ cảm biến có thể phát hiện áp lực trên một phạm vi giống như da của con người, từ một ngón tay gõ nhẹ đến một cái bắt tay vững chắc.

Năm năm trước, các nhà nghiên cứu đầu tiên đã mô tả cách sử dụng nhựa và cao su làm những bộ cảm biến áp suất bằng cách đo tính co dãn tự nhiên của cấu trúc phân tử của chúng. Sau đó họ tăng độ nhạy áp suất tự nhiên này bằng cách đẩy một lát nhựa mỏng vào lớp chất dẻo mỏng này, làm các lò xo phân tử nhựa bị nén ép hơn nữa.

Để khai thác khả năng cảm ứng áp suất điện tử, nhóm nghiên cứu đã bỏ vào hàng tỷ ống nano phân tán trong lát nhựa mỏng. Khi sức ép tác động lên tấm nhựa, nó ép các ống nano gần nhau hơn và làm chúng dẫn điện.

Điều này cho phép các cảm biến nhựa bắt chước được da người, trong đó thông tin về áp lực được đưa lên não như những xung điện ngắn, tương tự như mã Morse. Việc tăng áp lực lên những ống nano mỏng sẽ ép chúng gần nhau hơn nữa, làm nhiều điện hơn được lưu thông qua các cảm biến, và các xung lực khác nhau sẽ gửi các xung ngắn tương ứng khác nhau tới cơ chế cảm biến. Thả lỏng áp lực thì dòng chảy của xung điện sẽ thả lỏng, giống như một cái chạm nhẹ. Bỏ áp lực ra hoàn toàn thì xung điện sẽ ngưng hoàn toàn.

Nước lạnh hay Cà phê nóng

Nhóm nghiên cứu sau đó đã nối cơ chế áp lực cảm biến này với lớp thứ hai của da nhân tạo, là một mạch điện tử linh hoạt thứ có thể mang các xung điện đến các tế bào thần kinh.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển những thiết bị điện tử mềm dẻo có thể uốn cong mà không gãy. Đối với dự án mới này, họ đã làm việc với các nhà nghiên cứu từ PARC, một công ty Xerox có một công nghệ sử dụng một máy in phun để gắn những vi mạch dễ uốn vào nhựa. Bao phủ một bề mặt lớn là rất quan trọng để tạo ra một làn da nhân tạo thực sự, và sự hợp tác với PARC đã cung cấp triển vọng.

Cuối cùng nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng các tín hiệu điện tử có thể được một nơ-ron sinh học chấp nhận. Nó có thể làm được điều này bằng cách mô phỏng một kỹ thuật kết hợp cả di truyền học và quang học, được gọi là kỹ thuật quan di truyền (optogenetics). Các nhà nghiên cứu công nghệ sinh học tế bào đã làm chúng nhạy cảm với các tần số cụ thể của ánh sáng, sau đó sử dụng xung ánh sáng để chuyển đến các tế bào, hay thỉnh thoảng những quá trình này được mang theo bên trong chúng.

Đối với các thí nghiệm mới, được báo cáo trong Tạp chí Khoa học, các thành viên nhóm nghiên cứu đã thiết kế dây tế bào thần kinh để mô phỏng một phần của hệ thống thần kinh của con người. Họ dịch các tín hiệu điện tử về áp suất từ da nhân tạo thành xung ánh sáng, xung này kích hoạt các tế bào thần kinh, nó chứng tỏ rằng làn da nhân tạo có thể tạo ra một cảm giác tương thích với các tế bào thần kinh.

Quang di truyền chỉ được sử dụng như là một bằng chứng thực nghiệm về khái niệm – những phương pháp khác kích thích dây thần kinh có khả năng được sử dụng trong các bộ phận giả trên thực tế. Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng kích thích trực tiếp của tế bào thần kinh bằng xung điện là có thể.

Nhóm của Bao hình dung ra việc phát triển các cảm biến khác nhau để nhân rộng, ví dụ, khả năng phân biệt vải sợi lớn so với tơ tằm hay một ly nước lạnh so với một cốc cà phê nóng – nhưng điều này sẽ mất thời gian. Có sáu loại cơ chế cảm biến sinh học trong bàn tay con người, và báo cáo thử nghiệm chỉ thành công được một trong số chúng.

Nhưng cách tiếp cận hai lớp hiện có nghĩa là nhóm nghiên cứu có thể thêm các cảm giác nếu các cơ chế mới được phát triển. Và quá trình chế tạo máy in phun cho thấy cách một mạng lưới cảm biến có thể gắn vào một bề mặt mềm dẻo và bao phủ một cánh tay giả.

“Chúng tôi có rất nhiều công việc để thực hiện việc này từ thí nghiệm đến ứng dụng thực tế“, Bao nói. “Nhưng sau khi trải qua nhiều năm trong công việc này, bây giờ tôi đã nhìn thấy một con đường rõ ràng về nơi mà chúng tôi có thể lấy da nhân tạo.“

Thanh Phong dịch từ The Epoch Times