Công nghệ dành cho… ngón tay

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications mô tả sự phát triển của công nghệ cảm ứng mới cho phép truyền tải phản hồi thực tế đến đầu ngón tay con người mô phỏng cảm ứng tự nhiên hơn so với các thiết bị trước đây.

Thiết bị đầu ngón tay cho phép nhiều ứng dụng khác nhau

Thiết kế công nghệ giống thật hơn có nghĩa là nó sẽ giúp hiểu rõ hơn về sự phức tạp của xúc giác, với nhiều ứng dụng đang được xem xét. Một ứng dụng tiềm năng của công nghệ là cải thiện chẩn đoán bệnh nhân bị mất cảm giác. Hiện nay, chẩn đoán này được thực hiện bằng cách bác sĩ lâm sàng chạm vào da bằng bàn chải sợi đơn có trọng lượng tăng dần và hỏi bệnh nhân xem họ có thể cảm thấy không và đưa ra chỉ dẫn về vị trí mất cảm giác và mức độ cấp tính. Hệ thống xúc giác sinh học (BAMH) được sử dụng để tự động hóa quá trình này, giúp tăng tốc, tiết kiệm thời gian cho bác sĩ và cung cấp nhiều dữ liệu thực nghiệm hơn để đưa ra chẩn đoán.

Giáo sư Helge Wurdemann, tác giả của nghiên cứu từ UCL Mechanical Engineering, mô tả: “Hệ thống BAMH nâng cao khả năng định lượng cả độ nhạy - cường độ kích thích tối thiểu cần thiết để con người cảm nhận được một cú chạm - và khả năng phân biệt mọi kích thích ở ngón tay người. Bằng cách giảm tính chủ quan của các phương pháp chẩn đoán hiện tại, chúng tôi nghĩ rằng hệ thống giúp cải thiện đáng kể quá trình này”. Nhóm nghiên cứu đã được chấp thuận về mặt đạo đức để tiến hành thử nghiệm lâm sàng nhằm kiểm tra ứng dụng. Một ứng dụng tiềm năng khác của công nghệ là cải thiện các kỹ thuật phẫu thuật bằng robot.

Tiến sĩ Sara Abad, tác giả của nghiên cứu từ UCL Mechanical Engineering, cho biết, “Bác sĩ phẫu thuật có thể cảm nhận được sự khác biệt giữa mô ung thư và mô bình thường bằng tay của họ, ví dụ, điều này giúp họ xác định ranh giới của khối u trước khi cắt bỏ nó. Nhưng nếu họ thực hiện phẫu thuật bằng cánh tay robot, dù là trong phòng hay từ xa, khả năng xúc giác này sẽ mất đi. Chúng tôi nghĩ hệ thống BAMH giúp mang lại một số cảm giác đó và hy vọng tiến hành thử nghiệm lâm sàng kiểm tra lý thuyết này trong tương lai gần”.

Sự phức tạp của nhận thức xúc giác của con người từ lâu đã là rào cản đối với sự phát triển của loại thiết bị liên quan đến xúc giác hiệu quả, thường dẫn đến các hệ thống gặp khó khăn trong việc cung cấp phản hồi trực quan và thực tế. Hệ thống BAMH, lấy cảm hứng từ cách thức hoạt động của nhận thức con người, giải quyết những thách thức này bằng cách kích thích 4 loại thụ thể xúc giác chính trên da người.

Giáo sư Wurdemann nói: “Cảm giác xúc giác của con người bao gồm các cảm giác được nắm bắt bởi 4 loại thụ thể, có mặt ở nhiều tỷ lệ khác nhau ở nhiều vùng khác nhau của đầu ngón tay. Ví dụ, một số loại phát hiện các cạnh tốt hơn, trong khi những loại khác lại diễn giải kết cấu tốt hơn. Khi chạm vào vật thể, chúng ta đang nhận được một hỗn hợp phức tạp các kích thích giúp cảm nhận chúng một cách chính xác. Hệ thống chúng tôi phát triển tạo ra cả kích thích tĩnh và xung tại nhiều điểm khác nhau trên đầu ngón tay, với mức cường độ có thể giảm xuống dưới hoặc vượt quá ngưỡng nhạy cảm của con người. Điều quan trọng là kích thích này được truyền đi trong dải tần số phù hợp với độ nhạy của các thụ thể da cảm ứng, cho phép trải nghiệm cảm ứng mô phỏng chặt chẽ cảm giác tương tác với vật thể thực trong cuộc sống hàng ngày”.

Các xung được truyền bởi hệ thống BAHM nằm trong phạm vi độ nhạy 0-130 Hertz của thụ thể cảm ứng trên da. Điều này cho phép kích hoạt chính xác hơn thụ thể cảm ứng trên các vùng phía trước, phía dưới và bên của ngón tay, mang lại cảm giác chính xác và chọn lọc hơn. Nghiên cứu cũng phát hiện độ nhạy của kích thích ở ngón tay con người khác nhau ở những vùng khác nhau của đầu ngón tay và ở các tần số khác nhau, điều này làm nổi bật tầm quan trọng của việc truyền đúng loại kích thích đến từng vùng của ngón tay để có được trải nghiệm chân thực và chính xác hơn.

Tiến sĩ Sara Abad cho biết: “Các hệ thống phản hồi cảm ứng hiện tại thường yêu cầu người dùng phải trải qua quá trình đào tạo để họ có thể diễn giải chính xác loại kích thích mà họ đang trải qua, một phần là do phạm vi cảm giác mà các hệ thống hiện tại có thể cung cấp bị hạn chế và cũng là do tính cứng nhắc của các hệ thống này. Thách thức này khiến chúng tôi phải đặt câu hỏi: làm thế nào chúng ta có thể kích thích da theo cách có thể tạo ra phản hồi cảm ứng tự nhiên hơn, do đó giảm nhu cầu đào tạo người dùng chuyên sâu?

Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã áp dụng phương pháp lấy cảm hứng từ sinh học, tập trung vào cách nhận thức của chúng ta về các đặc điểm như cạnh vật thể, kết cấu và độ căng của da phụ thuộc rất nhiều vào 4 loại thụ thể chính trong da của chúng ta. Công nghệ kết quả cung cấp một cách kết hợp cảm ứng vào tương tác xã hội ảo của chúng ta và cũng có thể hoạt động như công cụ chẩn đoán cảm giác cho những bệnh nhân bị mất độ nhạy cảm”.

Theo dõi sức khỏe bằng cảm biến chạy bằng… mồ hôi

Công nghệ đeo mới này theo dõi mọi chỉ số sức khỏe quan trọng thông qua mồ hôi ở đầu ngón tay, mang lại khả năng theo dõi sức khỏe liên tục, không xâm lấn. Shichao Ding, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại UC San Diego, thảo luận về công trình của nhóm về một thiết bị quấn ngón tay điện tử chạy bằng… mồ hôi theo dõi nhiều chỉ số sinh học sức khỏe như glucose, vitamin C, lactat và thuốc. Nếu thiết bị này rời khỏi phòng thí nghiệm, nó hứa hẹn sẽ giúp việc theo dõi sức khỏe trở nên đơn giản hơn, liên tục hơn và ít xâm lấn hơn bao giờ hết. Theo truyền thống, việc theo dõi mọi dấu hiệu sức khỏe như mức glucose liên quan đến việc lấy máu. Điều này không gây đau đớn nhưng rất bất tiện cho bệnh nhân, đặc biệt là những người mắc bệnh mãn tính như tiểu đường.

Tuy nhiên, cảm biến đầu ngón tay mới này thay đổi điều đó bằng cách dựa vào mồ hôi đầu ngón tay thay vì máu. Điều này có nghĩa là thiết bị này cho phép theo dõi sức khỏe liên tục ngay cả khi xét nghiệm máu truyền thống không thực tế - chẳng hạn như khi một người ngủ hoặc nghỉ ngơi. Điều thực sự tuyệt vời về thiết bị mới này là khả năng tạo ra năng lượng bằng mồ hôi thông qua tế bào nhiên liệu sinh học đặc biệt trong mạch điện của nó. Các tế bào nhiên liệu sinh học này trích xuất năng lượng từ các hợp chất như lactate và chất oxy hóa có trong mồ hôi để tạo ra điện.

Ding bình luận: “Thiết bị của chúng tôi thu thập năng lượng thụ động từ mồ hôi. Bạn có thể nghỉ ngơi, ngủ hoặc làm việc, và thiết bị sẽ liên tục tạo ra năng lượng. Ngay cả khi ngủ, như chúng tôi gọi, đó là giấc mơ về năng lượng - thu thập năng lượng từ mồ hôi mà không cần bất kỳ chuyển động vật lý nào”.

Năng lượng được tạo ra bởi tế bào nhiên liệu sinh học có thể được sử dụng trực tiếp để cung cấp năng lượng cho thiết bị hoặc, nếu có bất kỳ lượng dư thừa nào được tạo ra, được lưu trữ trong loại pin bạc clorua-kẽm nhỏ, có thể kéo dài. Loại pin này cung cấp nguồn dự phòng bổ sung cho phép cảm biến hoạt động liên tục trong suốt cả ngày. Thiết lập này cũng có nghĩa là thiết bị có thể chạy trong hầu hết các điều kiện, ngay cả khi tập thể dục. Tất nhiên, ngoại trừ khi bơi lội. Những dấu ấn sinh học này được lựa chọn cụ thể vì chúng có liên quan đến các tình trạng sức khỏe như bệnh tiểu đường và tầm quan trọng của chúng trong các quá trình trao đổi chất nói chung.

“Những dấu ấn sinh học này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình trao đổi chất và luôn thay đổi dựa trên hoạt động thể chất, bữa ăn hoặc giấc ngủ” - Ding nói. Điều này có xu hướng cung cấp kết quả định tính tốt hơn tại thời điểm đó nhưng cần phải được thực hiện theo các khoảng thời gian đều đặn để có được bức tranh tổng thể về tình hình. Có luồng dữ liệu liên tục có độ phân giải thấp hơn một chút giúp bệnh nhân và nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe có cái nhìn toàn diện hơn về hoạt động trao đổi chất của cơ thể.

Ding cho biết: “Cảm biến của chúng tôi khớp với kết quả xét nghiệm máu, cho thấy việc theo dõi bằng đầu ngón tay có triển vọng cho những giải pháp chăm sóc sức khỏe liên tục trong tương lai”. Điều này mở ra khả năng chăm sóc sức khỏe thoải mái và tiện lợi hơn cho hàng triệu người trên toàn thế giới. Hơn nữa, nó cũng mở ra khả năng cung cấp thuốc tự động nếu đáp ứng được một số điều kiện nhất định (như nhu cầu insulin ở bệnh nhân tiểu đường).

Tương lai của việc theo dõi sức khỏe tự động? Một trong những khía cạnh thú vị nhất trong nghiên cứu của Ding là tiềm năng theo dõi sức khỏe tự động. Trong tương lai, loại thiết bị như băng quấn ngón tay điện tử giúp theo dõi mọi dấu hiệu sinh học và thực hiện phương pháp điều trị dựa trên dữ liệu thu thập được. Mặc dù tiềm năng của công nghệ này rất lớn, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua trước khi nó trở nên phổ biến rộng rãi. Một rào cản lớn là đảm bảo tính ổn định lâu dài của pin nhiên liệu sinh học và cảm biến.

Ding chia sẻ: “Để sản xuất hàng loạt, chúng tôi cần chuẩn hóa độ nhạy của cảm biến và đảm bảo tính ổn định giữa những người dùng và điều kiện khác nhau. Một thách thức khác là cải thiện hiệu quả của pin nhiên liệu sinh học để kéo dài tuổi thọ của chúng”. Hiện tại, chúng có thể hoạt động trong một đến hai tuần trước khi hiệu suất giảm. Bất chấp những thách thức này, Ding vẫn lạc quan về tương lai của công nghệ này. Ding kết luận: “Chúng tôi mới chỉ bắt đầu thấy được những gì có thể thực hiện được với công nghệ lưới điện siêu nhỏ đeo được này”.