Bụi thông minh - Cảm biến siêu nhỏ cấy vào não, giám sát theo thời gian thực

Bụi thông minh, nghe có hơi viễn tưởng nhưng đại học California Berkeley đang phát triển một thứ như vậy được họ gọi là neural dust - bụi thần kinh, có thể được cấy ghép vào cơ thể người để giám sát các dây thần kinh, cơ hay cơ quan theo thời gian thực.

Đây là những cảm biến có kích thước bằng một hạt cát cỡ lớn chứa một tinh thể vật liệu áp điện có thể chuyển đổi những rung động siêu âm từ bên ngoài cơ thể thành điện để vận hành một bóng bán dẫn siêu nhỏ - thành phần tiếp xúc với dây thần kinh hay sợi cơ. Một sự tăng vọt về điện áp trong sợi cơ hay sợi thần kinh sẽ làm thay đổi mạch và làm rung động tinh thể áp điện, từ đó làm thay đổi âm thanh vọng lại được phát hiện bởi một đầu thu siêu âm - thường tích hợp trên cùng một thiết bị tạo ra rung động. Sự thay đổi nhỏ này được gọi là tán xạ ngược, cho phép thiết bị xác định điện áp.

Mục tiêu chính của loại "bụi thần kinh" này là tạo tiền đề cho các giao tiếp giữa máy và não thế hệ tiếp theo.

Nghiên cứu này có thể tạo tiền đề cho các giao tiếp giữa máy và não để điều khiển chân tay giả, robot từ xa cũng như tạo bước đà cho sự phát triển của các thiết bị điện tử thần kinh chăm sóc sức khỏe. Theo Ryan Neely - sinh viên tốt nghiệp khoa khoa học thần kinh thuộc nhóm nghiên cứu: "Mục tiêu chính của loại "bụi thần kinh" này là tạo tiền đề cho các giao tiếp giữa máy và não thế hệ tiếp theo, đồng thời biến nó trở thành một công nghệ chữa bệnh khả thi. Nếu một bệnh nhân bị liệt tứ chi muốn điều khiển một chiếc máy tính hay cánh tay robot, bác sĩ chỉ cần cấy ghép những điện cực này vào não và nó sẽ tồn tại suốt đời".

Nói về điện cực cấy ghép thì hầu hết chúng đều bị hỏng trong vòng từ 1 đến 2 năm. Tất cả đều được kết nối bằng dây dẫn và những dây dẫn này đi xuyên qua đầu qua những lỗ khoan trên hộp sọ. Trong khi đó cảm biến không dây có thể được đóng kín, ngăn ngừa viêm nhiễm và tránh tác động xê dịch của các điện cực.​

Tuy nhiên, tiềm năng ứng dụng của bụi thông minh không chỉ dừng lại ở việc phát triển các thiết bị điện tử thần kinh phục vụ trong y học. Theo một nghiên cứu của Gartner, bụi thông minh có thể trở thành một xu thế trong từ 5 đến 10 năm nữa. Đây là một lĩnh vực đang được phát triển trong các phòng thí nghiệm lớn của Mỹ kể từ những năm cuối thập niên 90 với nguồn vốn từ Cơ quan các dự án nghiên cứu và phòng thủ tối tân (DARPA) nhằm tạo ra các cứng dụng dành cho quân đội.

Vào đầu năm 2003, các nhà nghiên cứu đã phát triển các ứng dụng dành cho bụi thông minh và chúng được xếp vào lớp "Các cảm biến điện cơ siêu nhỏ không dây (MEMS) có thể phát hiện mọi thứ từ ánh sáng đến rung động". Chúng có thể được dùng làm cảm biến giao thông tại các khu vực thường xuyên tắt đường hoặc giám sát mức tiêu thụ điện năng trên các thiết bị gia dụng để xác đinh xem chúng có đang hoạt động ở hiệu suất tối đa hay không. Tuy nhiên, các nhà khoa học ngày nay đã chuyển hướng ứng dụng bụi thông minh vào các loại thiết bị đeo có thể cấy ghép.

Theo nhà khoa học thần kinh Jose Carmena: "Các cảm biến này giờ đây đã đủ nhỏ để có thể sử dụng trong hệ thần kinh ngoại vi, chẳng hạn có thể giúp bệnh nhân kiểm soát nhu cầu tiểu tiện, kiềm chế cảm giác thèm ăn. Công nghệ này vẫn chưa sẵn sàng chỉ đến khi nó đạt được kích thước 50 micron - đủ nhỏ để có thể cấy ghép vào não và hệ thống thần kinh trung ương. Một khi đã được chứng minh lâm sàn, bụi thông minh sẽ thay thế những điện cực có dây".

Nhóm nghiên cứu của Carmena hiện đang tìm cách thu nhỏ thiết bị, tìm kiếm các vật liệu thích nghi sinh học và cải tiến bề mặt thu phát để có thể gửi và nhận tín hiệu siêu âm, lý tưởng nhất là sử dụng công nghệ định hướng tín hiệu theo chùm để tập trung sóng âm vào từng hạt bụi. Trước mắt, họ đã chế tạo những chiếc "balo" dành cho chuột, bên trong balo tích hợp bộ thu phát siêu âm để ghi lại dữ liệu từ những hạt bụi đã được cấy ghép.

Bụi thông minh có thể trở thành một xu thế trong từ 5 đến 10 năm nữa. (Ảnh minh họa).​

Một tiềm năng ứng dụng khác của bụi thông minh là nó có thể phát hiện nồng độ hoá học, chẳng hạn như nồng độ oxy hay hormone. Dongjin Seo - sinh viên tốt nghiệp khoa khoa học máy tính và kỹ thuật điện tại đại học California Berkeley cho biết: "Tầm nhìn của chúng tôi là có thể cấy ghép bụi thông minh vào mọi nơi trên cơ thể và tạo ra một thiết bị kết nối tại khu vực cấy ghép để có thể gửi sóng siêu âm nhằm đánh thức cũng như thu nhận thông tin cần thiết từ các cảm biến tùy theo phương pháp trị liệu bạn muốn. Sau cùng, bạn có thể sử dụng nhiều cảm biến cấy ghép và một thiết bị kết nối để kích hoạt từng cảm biết hoặc tất cả cùng lúc".

Rào cản lớn nhất đối với bụi thông minh để có thể ứng dụng rộng rãi là tính thực tế của nó, để đưa vào người thì buộc phải phẫu thuật cấy ghép. Liệu trong tương lai chúng ta có thể nuốt hay hít bụi không minh? Đây là một ý tưởng rất thú vị bởi khi hạt bụi trở nên nhỏ hơn, nó có thể len lỏi vào hệ thần kinh và não, từ đó có thể mang lại cơ hội cho những người tàn tật hoặc mắc phải các chứng bệnh đặc biệt.