Cảm biến sinh học cho phép tai nghe ghi lại hoạt động não

Dữ liệu truyền phát từ cảm biến sinh học giờ đây đã được sử dụng để theo dõi sức khỏe và chẩn đoán tình trạng thoái hóa thần kinh.

Một cặp tai nghe có thể được biến thành công cụ ghi lại hoạt động điện não cũng như mức độ lactate (sản phẩm của quá trình chuyển hóa tế bào khi cơ thể ở trong điều kiện yếm khí) trong cơ thể bằng cách bổ sung thêm hai cảm biến linh hoạt được in trên bề mặt mềm dẻo giống như một con tem. Mạng cảm biến giao tiếp với tai nghe, sau đó truyền không dây dữ liệu được thu thập để hiển thị và phân tích sâu hơn trên điện thoại thông minh hoặc máy tính xách tay. Dữ liệu được sử dụng theo dõi sức khỏe lâu dài và phát hiện tình trạng thoái hóa thần kinh.

Mạng cảm biến - được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu đa ngành gồm một nhóm kỹ sư Đại học California (UC San Diego, Mỹ) - ít cồng kềnh hơn nhiều so với những thiết bị hiện đại hiện đang được sử dụng để cảm nhận hoạt động điện não và sự tiết mồ hôi của cơ thể. Nhóm nhà nghiên cứu cho thấy chúng có thể được sử dụng trong thế giới thực trong khi tập thể dục. Mặc dù cảm biến trong tai nghe về một số thông số sinh lý không phải là mới, nhưng việc tích hợp cảm biến tín hiệu não vào cơ thể vào một nền tảng duy nhất lại là điều mới mẻ. Bước đột phá này được thực hiện nhờ sự kết hợp chuyên môn của cộng đồng kỹ sư y sinh, hóa học, điện và nano.

Cảm biến sinh học cho phép tai nghe ghi lại hoạt động não -0
Mạng cảm biến linh hoạt in trên màn hình được gắn vào tai nghe trên bề mặt mềm dẻo giống như một con tem.

Dữ liệu và xác thực

Dữ liệu từ điện não đồ (EEG), đo hoạt động điện trong não và lactate mồ hôi, một loại axít hữu cơ mà cơ thể tạo ra trong quá trình tập thể dục và hoạt động trao đổi chất bình thường, có thể được kết hợp cho nhiều mục đích khác nhau. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để chẩn đoán nhiều loại động kinh khác nhau, bao gồm cả động kinh. Chúng được sử dụng để theo dõi nỗ lực trong quá trình tập luyện thể chất cũng như mức độ căng thẳng và tập trung. Nhóm nhà nghiên cứu xác thực dữ liệu được thu thập trong nghiên cứu chứng minh khái niệm này dựa trên dữ liệu thu được từ tai nghe EEG tiếp xúc khô có bán trên thị trường và những mẫu máu chứa lactate. Dữ liệu mà mạng cảm biến linh hoạt thu thập cũng có hiệu quả tương tự.

Nhóm mô tả nghiên cứu của họ trong một bài báo xuất hiện trên trang bìa Tạp chí Nature Biomedical Engineering số tháng 10/2023. Nhóm nhà nghiên cứu nhìn thấy trước một tương lai, trong đó hệ thống theo dõi sức khỏe và hình ảnh thần kinh hoạt động với các cảm biến đeo được và thiết bị di động, như điện thoại, tai nghe, đồng hồ,... để theo dõi hoạt động của não cũng như mức độ của nhiều chất chuyển hóa liên quan đến sức khỏe trong suốt cả ngày. Điều này sẽ cho phép người dùng nâng cao khả năng của não và cơ thể. Nhóm cũng dự tính một tương lai trong đó khả năng của những thiết bị âm thanh đeo được hiện có, chẳng hạn như tai nghe, có thể được mở rộng đáng kể để thu thập phạm vi dữ liệu rộng hơn nhiều. Gert Cauwenberghs, giáo sư Khoa Kỹ thuật sinh học Shu Chien Gene Lay tại UC San Diego, cho biết: “Việc có thể đo lường động lực của cả hoạt động nhận thức của não và trạng thái trao đổi chất của cơ thể trong một thiết bị tích hợp trong tai mà không ảnh hưởng đến sự thoải mái và khả năng di chuyển của người dùng sẽ mở ra những cơ hội to lớn nâng cao sức khỏe và thể chất của mọi người ở mọi lứa tuổi, mọi lúc, mọi nơi”.

Cảm biến sinh học cho phép tai nghe ghi lại hoạt động não -0
Tai nghe được nhét vào ống tai, nơi chúng có thể thu mồ hôi và cảm nhận hoạt động điện não.

Mạng cảm biến theo dõi mức độ lactate trong mồ hôi

Nhóm nghiên cứu cảm thấy việc đeo tai nghe nhét tai phổ biến tạo ra tiềm năng chưa được khai thác trong việc thu thập tín hiệu não và cơ thể một cách thuận tiện, cho cả sức khỏe và thể chất. Patrick Mercier, giáo sư Khoa Kỹ thuật điện và máy tính của UC San Diego, bình luận: “Tai nghe tồn tại trong nhiều thập kỷ và theo nhiều cách, nó là một trong những thiết bị đeo đầu tiên trên thị trường. Nghiên cứu này thực hiện những bước quan trọng đầu tiên nhằm chứng minh dữ liệu có thể được đo lường từ cơ thể con người chỉ bằng cách tăng cường khả năng của tai nghe nhét tai mà mọi người sử dụng hằng ngày. Vì không có trở ngại lớn nào khi sử dụng công nghệ này nên chúng tôi dự đoán cuối cùng sẽ áp dụng trên quy mô rộng”.

Yuchen Xu, đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Cauwenberghs, cho biết tai có tuyến mồ hôi và nằm gần não. Ông nói: “Đó là điểm khởi đầu tự nhiên - mọi người đã quen với việc đeo tai nghe. Một hệ thống như vậy đòi hỏi kiến thức chuyên môn đa lĩnh vực, đó là lý do dự án này được triển khai tại Trung tâm Cảm biến thiết bị đeo tại UC San Diego, nơi giáo sư kỹ thuật sinh học Cauwenberghs cộng tác với hai giáo sư kỹ thuật nano Joseph Wang và Sheng Xu, những người có nhiều kinh nghiệm trong việc thiết kế và chế tạo những thiết bị có thể co dãn, cảm biến hóa học linh hoạt và hiệu suất cao. Patrick Mercier, giáo sư Khoa Kỹ thuật điện và máy tính của Trường Jacobs, cũng đã đưa kinh nghiệm sâu rộng của mình về hệ thống không dây và điện tử y sinh công suất thấp vào dự án.

Tiến sĩ Ernesto De La Paz, thành viên nhóm nghiên cứu của giáo sư kỹ thuật nano Joseph Wang, báo cáo: “Một trong những lý do khiến chúng tôi có thể đạt được bước đột phá này là vì chúng tôi thực sự nghĩ đến việc hội nhập. Chúng tôi muốn chế tạo loại cảm biến nhỏ nhất có thể để thu thập các mẫu mồ hôi nhỏ. Chúng tôi cũng giải thích được hình dạng bất thường của tai bằng cách tích hợp những bộ phận có thể uốn cong”. Bước đầu tiên trong việc chế tạo cảm biến trong tai là xác nhận dữ liệu EEG và lactate có thể được thu thập trong tai. Nhóm nhà nghiên cứu đã phải thiết kế các dụng cụ nhỏ hơn, gọn hơn nhằm thu thập mọi tín hiệu điện sinh lý, chẳng hạn như dữ liệu EEG, để vừa với một chiếc tai nghe. Họ cũng phải tìm một chất liệu thích hợp để thấm mồ hôi và cảm nhận lactate. Sau loạt thí nghiệm sơ bộ trên người, nhóm nhà nghiên cứu xác định vị trí tốt nhất thu thập và ghi lại dữ liệu lactate là khí quản, nơi mồ hôi tích tụ ở lối vào tai. Nhóm nghiên cứu cũng biết từ kinh nghiệm trước đây rằng muốn thu thập dữ liệu EEG, cần có các điện cực sinh lý hiệu suất cao hướng về thùy thái dương.

Cảm biến sinh học cho phép tai nghe ghi lại hoạt động não -0
Gert Cauwenberghs, giáo sư Khoa Kỹ thuật Sinh học Shu Chien Gene Lay tại UC San Diego.

Yuchen Xu nhận định: “Thách thức kỹ thuật cơ bản không chỉ là lắp 2 cảm biến vào tai, vốn là một không gian nhỏ thay đổi từ người này sang người khác, mà còn thu được tín hiệu từ cả điện não đồ và lactate một cách đáng tin cậy. Chúng tôi cũng phải điều chỉnh để tích hợp tai nghe và giảm nhiễu xuyên âm. Đó là lúc chúng tôi nảy ra ý tưởng về cảm biến có thể co dãn giống như một con tem, đây là một phần bổ sung đơn giản cho chính miếng đệm tai nhưng có tất cả mọi chức năng cần thiết mà chúng tôi cần và cho phép chúng tôi có đủ tự do cho thiết kế của mình”. Nhằm đảm bảo mạng cảm biến điện sinh lý tiếp xúc chắc chắn với tai, nhóm nhà nghiên cứu thiết kế loại cảm biến lò xo 3D giữ tiếp xúc nhưng có thể điều chỉnh khi tai nghe di chuyển. Mặt khác, nhằm cải thiện khả năng thu mồ hôi, nhóm nhà nghiên cứu phủ lên mạng cảm biến điện hóa một lớp màng hydrogel trong suốt. Yuchen Xu giải thích: “Nó giống như bọt biển và ưa nước. Nó hoạt động như một lớp đệm cơ học giữa da và các cảm biến, đồng thời giúp thu thập mồ hôi”. Rất khó để tránh nhiễu xuyên âm giữa 2 cảm biến do không gian bên trong tai có hạn. Nhóm nhà nghiên cứu phân tích nhiều lựa chọn vật liệu khác nhau, thiết kế cấu trúc và xác nhận tính khả thi của việc ghi đồng thời tín hiệu EEG và tín hiệu lactate bằng 2 cảm biến cách nhau 2 mm.

Joseph Wang, giáo sư tại Khoa Kỹ thuật nano và Giám đốc Trung tâm cảm biến đeo được tại Trường Jacobs, giải thích: “Nền tảng điện tử sinh học đeo được đa phương thức trong tai mới và mạnh mẽ này cung cấp nguồn thông tin thời gian thực phong phú về sức khỏe của người dùng, bằng cách ghi lại đồng thời và linh hoạt thông tin vật lý và sinh hóa”.

Cơ hội trong tương lai

Một trong những hạn chế của thiết bị là để thu thập đủ lactate nhằm phân tích dữ liệu một cách có ý nghĩa, các đối tượng cần thực hiện bài tập thể dục hoặc hoạt động thể chất khác khiến mọi người đổ mồ hôi. Trong công việc tương lai, nhóm nhà nghiên cứu sẽ hướng tới việc loại bỏ yêu cầu này. Bước tiếp theo cũng là tích hợp các thiết bị điện tử vào cảm biến. Nhóm cũng đang nỗ lực xử lý dữ liệu trên chính thiết bị. Cuối cùng, mục tiêu là truyền dữ liệu đã xử lý không dây tới máy tính hoặc điện thoại thông minh. Cảm biến trong tai cũng thu thập dữ liệu bổ sung, chẳng hạn như mức độ bão hòa oxy và lượng đường trong máu. Nhóm nhà nghiên cứu hình dung công việc này sẽ dẫn đến một số liệu pháp mới. Cauwenberghs chia sẻ: “Phản hồi thần kinh thính giác kết hợp tín hiệu não đo được với âm thanh do thiết bị trong tai phát ra có thể mang lại những tiến bộ trị liệu mới có tiềm năng sâu rộng khắc phục tích cực một số chứng rối loạn thần kinh gây suy nhược, chẳng hạn như chứng ù tai mà hiện tại không có phương pháp điều trị hiệu quả nào”.

Cảm biến sinh học cho phép tai nghe ghi lại hoạt động não -0
Một cặp tai nghe có thể được biến thành công cụ ghi lại hoạt động điện não cũng như mức độ lactate trong cơ thể.

Đánh giá cảm biến

Trong suốt quá trình nghiên cứu, nhóm nhà nghiên cứu cũng tiến hành nhiều thí nghiệm sâu rộng để xác nhận tính hiệu quả của các cảm biến. Họ mô tả hiệu suất điện cực cũng như một số mẫu tín hiệu não nổi bật, bao gồm điều biến alpha và phản ứng ở trạng thái ổn định của thính giác, ngoài phương pháp ghi điện quang (EOG) cho mạng cảm biến điện sinh lý. Họ mô tả độ nhạy, độ chọn lọc và độ ổn định lâu dài của cảm biến lactate. Họ cũng mô tả nhiễu xuyên âm giữa các cảm biến, độ ổn định cơ học và độ ổn định môi trường của mạng cảm biến tích hợp. Sheng Xu, giảng viên Khoa Kỹ thuật nano Trường Jacobs, mô tả: “Ống tai tương đối chưa được khám phá trong cộng đồng công nghệ thiết bị đeo. Công trình này chứng tỏ tiềm năng của cảm biến liên tục trong thu thập mọi tín hiệu vật lý và hóa học có giá trị từ ống tai, từ đó mở đường cho nhiều cơ hội thú vị trong lĩnh vực thiết bị đeo”.

Diên San (Tổng hợp)

Các tin khác

Koral - Tên lửa đất đối không của Ukraine

Koral - Tên lửa đất đối không của Ukraine

Tên lửa đất đối không Koral (đôi khi cũng được viết là Coral) dường như đã ra mắt công chúng như một phần trong loạt hệ thống vũ khí nội địa mới của Ukraine được giới thiệu gần đây.

Những thử nghiệm độc đáo của NASA trong không gian

Những thử nghiệm độc đáo của NASA trong không gian

Các thí nghiệm trên tàu con thoi vũ trụ đã chỉ ra rằng vi khuẩn Salmonella, một nguồn gây ngộ độc thực phẩm phổ biến và đôi khi gây tử vong, trở nên độc hại hơn trong không gian. Đó là nghiên cứu được thực hiện trên chuyến bay STS-115 của tàu Atlantis năm 2006 và STS-123 của tàu Endeavour hai năm sau đó...

Báo động tình trạng ma túy xâm nhập học đường

Báo động tình trạng ma túy xâm nhập học đường

Những lọ tinh dầu nhỏ gọn, mang vẻ ngoài vô hại như dung dịch thuốc nhỏ mắt hay tinh dầu thuốc lá điện tử đang trở thành lớp vỏ ngụy trang tinh vi cho các chất ma túy thế hệ mới. Không chỉ dừng lại ở việc sử dụng, mà đau lòng hơn, nhiều em học sinh còn mua bán, tàng trữ ngay trong môi trường học đường, gióng lên hồi chuông cảnh báo về tình trạng mua bán ma túy ngày càng trẻ hóa.

Hiệu quả chuyển đổi số trong công tác tuyển sinh đầu cấp

Hiệu quả chuyển đổi số trong công tác tuyển sinh đầu cấp

Những ngày gần đây, các địa phương trên cả nước đang tất bật triển khai công tác tuyển sinh đầu cấp. Với thành phố đông dân, tập trung nhiều trường học như Thủ đô Hà Nội, công tác tuyển sinh càng được chú trọng thay đổi; từ khâu đăng ký dự thi, tra cứu thông tin đến công bố kết quả triển khai đồng bộ các nền tảng trực tuyến, mang lại sự thuận tiện và minh bạch hơn cho phụ huynh, học sinh.

Một quyết định tháo gỡ

Một quyết định tháo gỡ

Chiều 5/12/2025, với 439/443 đại biểu biểu quyết tán thành, Quốc hội đã thông qua thông Luật Giám định tư pháp sửa đổi, sẽ có hiệu lực từ ngày 1/5/2026. Luật này đã khôi phục “quyền” giám định pháp y thương tích trên người sống của các bác sĩ pháp y CAND…

Một vụ mạo danh và sự ra đời của pháp lý về danh tính

Một vụ mạo danh và sự ra đời của pháp lý về danh tính

Giữa thế kỷ XVI, tại một ngôi làng nhỏ miền Nam nước Pháp, một người đàn ông trở về sau nhiều năm mất tích và được cả cộng đồng thừa nhận là Martin Guerre. Ông được vợ chấp nhận, được gia đình đón nhận, thậm chí tham gia các tranh chấp tài sản như một chủ hộ thực sự. Chỉ có một sự thật mà không ai nhận ra trong nhiều năm: ông không phải Martin Guerre. Vụ án sau đó không chỉ là câu chuyện về một kẻ mạo danh, mà còn trở thành một trong những hồ sơ đầu tiên đặt nền móng cho tư duy pháp lý về danh tính con người - một vấn đề mà hơn 4 thế kỷ sau vẫn còn nguyên tính thời sự.

Chúng ta quá dễ bị tổn thương khi dữ liệu trở thành vũ khí

Chúng ta quá dễ bị tổn thương khi dữ liệu trở thành vũ khí

Cuộc tấn công bằng máy bay không người lái của Iran mới đây nhắm vào trung tâm dữ liệu của các hãng công nghệ lớn tại Trung Đông bất ngờ gióng lên hồi chuông cảnh báo đối với thế giới: cơ sở hạ tầng dữ liệu đã chuyển từ tài sản thương mại thành mục tiêu chiến lược.

Cuộc chạy đua tên lửa dẫn đường chính xác

Cuộc chạy đua tên lửa dẫn đường chính xác

Các cường quốc hàng đầu hiện đang bắt đầu hiểu được những thay đổi mang tính cách mạng do tiềm năng sử dụng rộng rãi các loại vũ khí chính xác tầm xa mang lại. Ở quy mô mà tên lửa chiến thuật có thể được sản xuất và triển khai hàng nghìn chiếc, tên lửa hành trình hàng chục nghìn chiếc và máy bay không người lái cảm tử tầm xa hàng triệu chiếc mỗi năm, tác động của chúng sẽ tương đương với vũ khí hạt nhân, ít nhất là ở cấp độ chiến thuật. Tất nhiên, giải pháp tối ưu sẽ luôn là sự kết hợp của cả hai, nhưng hoàn toàn có thể trong vòng 5 đến 10 năm tới, chính các loại vũ khí tầm xa, độ chính xác cao sẽ có khả năng giải quyết nhiệm vụ chính là đánh bại kẻ thù từ xa mà không cần sử dụng máy bay có người lái.

Những vũ khí mới Mỹ tấn công Iran được nâng cấp từ chính vũ khí nổi tiếng của Tehran

Những vũ khí mới Mỹ tấn công Iran được nâng cấp từ chính vũ khí nổi tiếng của Tehran

Cuộc chiến với Iran đang trở thành nơi thử nghiệm cho các loại vũ khí mới nhất của Mỹ. Quân đội Hoa Kỳ đã sử dụng một số loại vũ khí mới để thực hiện các cuộc tấn công chống lại Tehran. Chúng bao gồm tên lửa đạn đạo tầm ngắn và máy bay không người lái (UAV) tấn công giá rẻ. Loại này được Mỹ cải biên từ công nghệ UAV của Iran. Các nhà quan sát cũng phát hiện ra một biến thể mới của tên lửa hành trình phóng từ tàu chiến.

Data “nóng” lên sàn “chợ đen”

Data “nóng” lên sàn “chợ đen”

Bỗng một ngày nào đó, người ta bàng hoàng khi phát hiện hình ảnh của mình bị rao bán trên mạng với cảnh nhạy cảm, bị cắt ghép, chắp vá thành những món hàng “nóng” và bị trao đổi, mua bán như mớ rau, cân cá trên “chợ đen”. Đây là thực trạng đáng báo động, ảnh hưởng nghiêm trọng đến danh dự và nhân phẩm con người, gây ra nhiều hệ lụy xấu cho cộng đồng và xã hội...

DNA và vụ án “giết người chưa từng gặp”

DNA và vụ án “giết người chưa từng gặp”

DNA của một người vô gia cư Mỹ được tìm thấy dưới móng tay một nạn nhân bị giết, nhưng anh chưa từng gặp người đó trong đời, và từ nghịch lý này, một sự thật lộ ra: thứ được coi là bằng chứng chắc chắn nhất lại có thể đẩy một người vô tội đến sát bờ vực bị kết án.

Công nghệ kỹ thuật số tham chiến tại Trung Đông

Công nghệ kỹ thuật số tham chiến tại Trung Đông

Khi công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) và các công cụ kỹ thuật số ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động quân sự, chiến sự giữa Mỹ, Israel và Iran cho thấy cách thức tiến hành chiến tranh đang thay đổi nhanh chóng. Khi dữ liệu trở thành mục tiêu và AI trở thành công cụ ra quyết định, ranh giới giữa chiến tranh truyền thống và chiến tranh công nghệ cao gần như bị xóa nhòa.

AI tái định nghĩa ưu thế quân sự?

AI tái định nghĩa ưu thế quân sự?

Mới đây, một công ty công nghệ quốc phòng Trung Quốc tuyên bố hệ thống AI của họ đã phát hiện tín hiệu từ máy bay ném bom tàng hình B-2 của Mỹ và dấu hiệu huy động quân sự nhiều tuần trước khi cuộc xung đột với Iran leo thang.

Tên lửa bí ẩn từ vũ trụ của Israel

Tên lửa bí ẩn từ vũ trụ của Israel

Việc Israel sử dụng tên lửa Blue Sparrow đã thu hút sự chú ý toàn cầu vì quỹ đạo bay bất thường, tốc độ cao và khả năng tấn công các vị trí được phòng thủ kiên cố mà không cần nhiều cảnh báo.

Vụ rò rỉ hơn 16 tỷ mật khẩu lớn nhất lịch sử

Vụ rò rỉ hơn 16 tỷ mật khẩu lớn nhất lịch sử

Hơn 16 tỷ mật khẩu và thông tin đăng nhập bị phơi bày trên không gian mạng đã tạo ra cú sốc lớn đối với giới an ninh toàn cầu. Vượt ra ngoài con số kỷ lục, vụ rò rỉ đã phơi lộ một thực tế đáng lo ngại: các lỗ hổng an ninh đang âm thầm kết nối, và chuyển hóa thành mối đe dọa có tính hệ thống.

Cuộc chiến quyền lực kỹ thuật số

Cuộc chiến quyền lực kỹ thuật số

Việc kiểm soát các tuyến cáp quang ngầm dưới biển, huyết mạch của mạng Internet toàn cầu, đã trở thành chiến tuyến mới trong cuộc chiến giành quyền lực kỹ thuật số. Trong các vùng biển tranh chấp, sức mạnh thường được coi là một màn trình diễn.

ChatGPT - vũ khí của nữ sát thủ

ChatGPT - vũ khí của nữ sát thủ

Một phụ nữ 21 tuổi ở Hàn Quốc vừa bị cáo buộc đã sử dụng phần mềm ChatGPT để giúp trả lời các câu hỏi khi cô ta lên kế hoạch cho một loạt vụ giết người khiến hai người đàn ông thiệt mạng và một người khác bất tỉnh trong giây lát.