Trong những năm gần đây, trí tuệ nhân tạo (AI) đã đạt được những thành tựu vượt bậc trong nhận dạng hình ảnh, phân tích dữ liệu và hỗ trợ chẩn đoán y khoa. Tuy nhiên, khi đưa các hệ thống điện tử vào cơ thể người, các nhà khoa học vẫn phải đối mặt với một trở ngại lớn: sự khác biệt về tính chất vật lý giữa mô sinh học và thiết bị điện tử.

Cơ thể con người được cấu tạo từ các mô mềm, linh hoạt và luôn vận động. Trong khi đó, phần lớn linh kiện điện tử hiện nay, kể cả những chip silicon tiên tiến nhất, đều cứng và khó biến dạng. Điều này khiến các thiết bị gắn trên tim, phổi, cơ bắp hay khớp xương dễ gây kích ứng mô, mất kết nối hoặc hư hỏng sau thời gian dài sử dụng.

Để khắc phục hạn chế này, các nhà nghiên cứu đang theo đuổi một hướng đi mới: thiết kế các thiết bị điện tử có đặc tính gần giống với mô sống thay vì buộc cơ thể phải thích nghi với công nghệ.

Theo bài tổng quan đăng trên tạp chí International Journal of Extreme Manufacturing, lĩnh vực "điện tử mô phỏng thần kinh mềm" đang phát triển mạnh mẽ. Đây là thế hệ thiết bị có khả năng cảm biến, ghi nhớ và xử lý thông tin ngay trên các vật liệu mềm dẻo, có thể uốn cong, kéo giãn và thích ứng với cơ thể con người.

Thiết bị lấy cảm hứng từ bộ não

Không giống như các mạch điện truyền thống chỉ dựa vào dòng electron di chuyển trong vật liệu dẫn điện, các thiết bị mới sử dụng những vật liệu mềm như polymer linh hoạt và ionogel dạng gel, cho phép vận chuyển đồng thời cả electron và ion.

Cơ chế này được gọi là dẫn truyền hỗn hợp ion – electron hữu cơ, khá giống với cách hệ thần kinh sinh học truyền tín hiệu điện hóa trong cơ thể.

Nhờ khả năng hấp thụ và giải phóng ion từ môi trường xung quanh, các vật liệu này có thể liên tục thay đổi trạng thái điện bên trong. Điều đó cho phép một bóng bán dẫn mềm đơn lẻ mô phỏng được tính dẻo của khớp thần kinh synapse, giúp não bộ học hỏi bằng cách tăng cường hoặc suy yếu các kết nối giữa các tế bào thần kinh theo thời gian.

Nói cách khác, bản thân phần cứng không chỉ xử lý dữ liệu mà còn có thể biểu hiện những đặc tính học tập tương tự não người.

Co giãn hơn da người và tiết kiệm năng lượng

Những tiến bộ trong khoa học vật liệu đã giúp các linh kiện điện tử mềm đạt độ linh hoạt đáng kinh ngạc. Một số thiết bị có thể kéo giãn tới 140% chiều dài ban đầu, vượt qua khả năng co giãn tự nhiên của da người.

Điều này cho phép chúng hoạt động ổn định trên những bộ phận thường xuyên chuyển động như khuỷu tay, đầu gối hoặc các cơ quan nội tạng.

Bên cạnh đó, các thiết bị này chỉ cần mức điện áp hoạt động dưới 0,5 volt để thực hiện những tác vụ phức tạp, chẳng hạn phân loại tín hiệu nhịp tim. Mức tiêu thụ năng lượng thấp giúp giảm sinh nhiệt và hạn chế tác động điện lên mô sống, yếu tố đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị được cấy ghép hoặc đeo trên cơ thể trong thời gian dài.

Công nghệ mới cũng có tiềm năng thay đổi cách chế tạo thiết bị đeo thông minh. Thay vì gắn các cảm biến cứng lên vật liệu mềm, các kỹ sư có thể trực tiếp in những mạng lưới tính toán co giãn, tích hợp đồng thời chức năng cảm biến, lưu trữ và xử lý dữ liệu trong cùng một cấu trúc vật liệu.

Nhờ đó, các hệ thống như da điện tử hoặc chi robot mềm có thể phân tích cảm giác xúc giác và chuyển động ngay tại chỗ, thay vì phải liên tục truyền dữ liệu tới máy tính bên ngoài.

Vẫn còn nhiều thách thức

Mặc dù đạt được nhiều kết quả triển vọng, điện tử mô phỏng thần kinh mềm vẫn đang trong giai đoạn phát triển và còn phải vượt qua không ít rào cản kỹ thuật trước khi được ứng dụng trong thực tế lâm sàng.

Một trong những thách thức lớn nhất là khả năng lưu trữ dữ liệu dài hạn. Nhiều thiết bị bộ nhớ mềm hiện nay chỉ giữ được thông tin trong thời gian ngắn sau khi tín hiệu kết thúc, làm hạn chế khả năng ứng dụng thực tế.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang phát triển các cấu trúc "đảo – cầu". Trong thiết kế này, các thành phần bộ nhớ bền vững được đặt trên những “hòn đảo" cứng nhỏ, trong khi các kết nối mềm, có khả năng co giãn cao đóng vai trò như những "cây cầu" liên kết các bộ phận lại với nhau.

Theo các nhà khoa học, việc kết hợp kiến trúc này với các vật liệu ổn định về mặt hóa học, an toàn sinh học và không độc hại có thể tạo nền tảng cho thế hệ thiết bị điện tử mô phỏng thần kinh bền bỉ, đủ khả năng hoạt động lâu dài trong cơ thể con người.

Nếu thành công, công nghệ này không chỉ giúp cải thiện các thiết bị y tế cấy ghép mà còn mở đường cho những hệ thống người – máy có mức độ tương tác tự nhiên và liền mạch hơn bao giờ hết.