Các kỹ sư Nhật Bản vừa tạo ra "cỗ xe song mã" nhỏ nhất thế giới, có thể chạy trong mạch máu người

Rõ ràng, xe ngựa cần phải có ngựa kéo. Liệu có loài ngựa nào đủ nhỏ để phi nước đại bên trong mạch máu của chúng ta hay không?

Nếu đã từng chơi qua tựa game "Age of Empires", hay còn được biết với cái tên Đế chế ở Việt Nam, chắc hẳn bạn sẽ biết "Scythe Chariot", đơn vị quân được xây dựng dựa trên hình ảnh của những cỗ xe ngựa chiến có thật trong lịch sử.

Với kích thước nhỏ gọn và khả năng xoay sở lanh lẹ, những cỗ xe hai ngựa kéo này có thể đạt tới vận tốc 72 km/h trên đường bằng, vào cua với tốc độ gần như không đổi và chinh phục nhiều loại địa hình bao gồm cả chiến trường.

Trong suốt một lịch sử kéo dài 6.500 năm - kể từ khi bánh xe được phát minh và ngựa được con người thuần hóa - những cỗ xe song mã này đã đại diện cho loại phương tiện di chuyển nhanh và hiệu quả nhất mà tổ tiên chúng ta từng chế tạo được - cho tới tận thời kỳ tiền công nghiệp.

Nếu không có ba cuộc Cách mạng Công nghiệp diễn ra liên tiếp trong 300 năm trở lại đây, những cỗ xe ngựa có lẽ vẫn thống trị mọi nẻo đường trên Trái Đất. Thật may (?), sự ra đời của đầu máy hơi nước, động cơ đốt trong và gần đây là động cơ xe điện đã đẩy những cỗ xe song mã này vào những tựa game cổ xưa, hoặc chỉ còn tồn tại trên phim trường, trong viện bảo tàng.

Thế nhưng, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Tokyo lại đang quay trở lại quá khứ để học hỏi những cỗ xe có tuổi đời hàng ngàn năm ấy. Họ vừa tạo ra được một "cỗ xe ngựa kéo" siêu nhỏ, có kích thước chỉ bằng 1/3 sợi tóc người.

Những cỗ xe này, một ngày nào đó, có thể sẽ hoàn thành giấc mơ của nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng Richard Feynman năm 1959, khi ông lần đầu tiên đưa ra ý tưởng về một cỗ máy tí hon, có thể hoạt động ngay bên trong cơ thể con người.

Những cỗ xe có khả năng đi vào dạ dày, chui vào từng mạch máu, giúp chúng ta thu dọn mỡ, công phá những cục máu đông, chuyên chở tế bào chết hoặc phân phối thuốc trị ung thư đến đúng vị trí nơi khối u đang phát triển.

Thế nhưng, tại sao không phải một chiếc ô tô, tàu ngầm hay robot tí hon sẽ giúp chúng ta làm điều đó? Mà lại phải là một cỗ xe ngựa – phương tiện cổ đại, thô sơ và dường như đã lỗi thời ở thời điểm hiện tại?

Và còn một câu hỏi thú vị hơn nữa:

Trong khi công nghệ in và khắc 3D nano đã cho phép các kỹ sư tạo ra được những cỗ xe nhỏ tới mức chui vừa mạch máu con người. Làm thế nào để thu nhỏ được những con ngựa tới kích thước micromet, để kéo được những cỗ xe song mã trong mạch máu ấy?

Rõ ràng, xe ngựa cần phải có ngựa kéo. Có "loài ngựa" nào đủ nhỏ để phi nước đại ngay bên trong mạch máu chúng ta hay không?

1. Các kỹ sư Nhật Bản vừa tạo ra "cỗ xe song mã" nhỏ nhất thế giới. Trong nó giống với 1 đơn vị quân Scythe Chariot trong tựa game AoE

Giống như mọi con đường đều dẫn về thành Rome, mọi giấc mơ về những cỗ xe tí hon hoạt động bên trong cơ thể người đều có chung một khởi điểm: Bài thuyết trình của nhà vật lý đoạt giải Nobel năm 1965, Richard Feynman.

Bên trong chiếc áo polo hồng, sơ vin cùng với thắt lưng nâu và quần đùi màu be, Feynman năm đó đã đứng giữa hội trường Caltech để nói về tầm nhìn của ông với một thế giới, ở đó, con người có khả năng thao tác với nguyên tử để lắp ráp ra những cỗ máy siêu nhỏ, có thể lặn sâu vào bên trong cơ thể của chính mình.

Richard Feynman

Bài thuyết trình có tựa đề: "Còn rất nhiều chỗ trống ở phía dưới đó: Lời mời tham gia vào một lĩnh vực vật lý mới", cuối cùng, đã mở ra hơn 4 thập kỷ phát triển kỳ diệu của công nghệ nano.

Trong đó, con người đã tạo ra được những chiếc kính hiển vi với độ phóng đại lên tới 50 triệu lần, cho phép họ nhìn thấy từng "chỗ trống ở phía dưới đó", phía dưới kích thước giữa các nguyên tử.

Bước tiếp theo là tìm cách chế tác, để tạo ra được những cỗ máy siêu nhỏ.

Thật không may, việc lắp ráp những cỗ máy ấy, như trong trí tưởng tượng của Feynman, không hề dễ dàng. Phải đến một thập kỷ trở lại đây, các nhà khoa học mới bắt đầu làm được điều đó.

Chẳng hạn như năm 2018, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học California đã tạo ra được những robot hình trụ bằng nano vàng, có thể được truyền sóng siêu âm và bò bên trong mạch máu người.

Năm 2020, một nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Leiden ở Hà Lan đã sử dụng máy in vi mô 3D để tạo ra mô hình con tàu kéo Benchy nhỏ nhất thế giới, với kích thước chỉ 30 micromet.

Con tàu kéo Benchy nhỏ nhất thế giới

Mặc dù con tàu chỉ là một mô hình tĩnh, không có khả năng di chuyển, nhưng vào năm 2023, một nhóm các kỹ sư tại Đại học Colorado đã tạo ra được một cấu trúc có thể mở ra tương lai mới cho nó.

Đó là một chiếc chân vịt với kích thước chỉ 20 micromet, có thể quay để tạo ra động năng dưới tác động của trường siêu âm. Vì vậy, bạn có thể bắt đầu tưởng tượng ra một chiếc tàu Benchy siêu nhỏ được gắn động cơ chân vịt.

Nhưng để những cỗ máy cơ khí như thế này bơi được trong mạch máu người, chúng còn phải đối mặt với vô số thách thức nữa.

2. Năng lượng, hệ thống truyền động và độ nhớt của máu

Thách thức đầu tiên đối với một robot siêu nhỏ chạy trong mạch máu người đó chính là môi trường máu, một chất lỏng phi Newton.

Hãy tưởng tượng bạn khuấy một chiếc đũa trong một bát nước, bất kể bạn khuấy mạnh hay nhẹ, độ nhớt của nước cũng sẽ không thay đổi. Do đó, lực cản trên đầu đũa của bạn luôn luôn là một hằng số cho phép bạn khuấy bát nước một cách dễ dàng.

Thế nhưng, nếu bạn cho thêm bột mì vào vào bát nước đó để làm bánh thì lại khác. Bột trộn với nước sẽ tạo thành một hỗn hợp chất lỏng phi Newton, bạn càng khuấy thì độ nhớt của hỗn hợp càng tăng và do đó, lực cản càng trở nên lớn hơn.

Kết quả là chiếc đũa khi đang khuấy sẽ bị dính lại.

Đó là đặc điểm của những chất lỏng phi Newton như mật ong, nhựa cây, mật mía và cả máu người. Do đó, một chiếc tàu Benchy nếu muốn bơi được trong máu người thì điều kiện tiên quyết là chân vịt của nó phải đủ mạnh để chống lại độ nhớt của máu.

Điều này tiếp tục dẫn tới một nghịch lý nữa, giữa kích thước và năng lượng.

Giả sử, khi các nhà khoa học muốn tạo ra một con tàu Benchy chạy bằng điện trong mạch máu người, để có lực đẩy lớn hơn, họ phải lắp trên đó một viên pin lớn hơn.

Điều này đi ngược lại với yêu cầu kích thước của chúng phải ngày càng giảm. Những robot chạy bằng năng lượng tự thân bé nhất ngày nay thường có kích thước không đủ nhỏ để đi vào mạch máu người.

Pillcam

Chẳng hạn như Pillcam, một robot đang được sử dụng như một thiết bị nội soi có kích thước lớn bằng một viên thuốc con nhộng. Nó có thể được nuốt vào từ miệng, đi vào bụng rồi chụp ảnh toàn bộ đường tiêu hóa của con người từ dạ dày cho tới khi được thải ra đường hậu môn.

Hành trình kéo dài từ 8-12 tiếng đòi hỏi Pillcam phải có pin đủ lớn để hoạt động suốt thời gian đó. Nó cần phải có đủ năng lượng để duy trì tốc độ chụp ảnh từ 2-6 tấm mỗi giây. Trung bình, mỗi chuyến hành trình của Pillcam qua đường tiêu hóa của con người sẽ giúp các bác sĩ thu thập 50.000 tấm ảnh.

Cho tới tận ngày nay, công nghệ pin vẫn chưa cho phép các kỹ sư thiết kế ra một robot nào có kích thước dưới 1mm với năng lượng tự thân hoạt động hiệu quả. Bởi bất cứ viên pin nào có kích thước dưới 1 mm cũng sẽ có dung lượng giảm đáng kể.

Viên pin nhỏ nhất thế giới

Hạn chế về công nghệ pin buộc các nhà khoa học phải chuyển sang một hướng đi khác khi phát triển robot mini. Họ phải tách nguồn năng lượng ra khỏi robot, chuyển sang sử dụng các nguồn năng lượng không dây.

Một thế hệ robot tí hon mới từ đó đã ra đời. Ý tưởng là hãy thả những robot mang ăng-ten vào trong cơ thể người. Sau đó, truyền năng lượng cho chúng thông qua ánh sáng laser, sóng siêu âm hoặc từ trường.

Mặc dù điều này đã giúp thu nhỏ kích thước của robot xuống dưới ngưỡng micromet, nhưng nếu muốn truyền tải năng lượng không dây cho robot, các nhà khoa học vẫn phải thiết kế chúng với một ăng-ten đủ lớn thì mới có thể nhận được đủ năng lượng.

Ngoài ra, robot cũng phải ở khá gần nguồn năng lượng để giúp cho quá trình truyền tải được hiệu quả.

Suy cho cùng, nghịch lý giữa kích thước và dung lượng pin chỉ chuyển thành một nghịch lý giữa kích thước, ăng ten và khoảng cách. Đây là nơi mà ý tưởng của các nhà khoa học đến từ Đại học Tokyo phát huy được hiệu quả, khi họ muốn…

3. Mang những "cỗ xe ngựa" trở lại thế giới vi mô

Những cỗ xe ngựa đầu tiên trên Trái Đất được phát minh vào khoảng cuối thiên niên kỷ thứ hai Trước Công Nguyên. Không khó hiểu tại sao chúng lại có thể thống trị những con đường trên khắp Trái Đất suốt 4.000 năm sau đó.

Xe ngựa là kết tinh của ba trong số những phát minh vĩ đại nhất lịch sử nhân loại, bao gồm bánh xe, kỹ năng thuần hóa động vật và trình độ chế tác vật liệu.

Bằng chứng khảo cổ đầu tiên về những cỗ xe này đã được tìm thấy trong các ngôi mộ của nền văn hóa Sintashta ở Chelyabinsk Oblast thuộc Nga ngày nay, với niên đại khoảng 2.000 năm.

Trong khoảng 800 năm sau đó, xe ngựa gần như đã xuất hiện ở tất cả các nền văn minh cổ đại ở Trung Á, Châu Âu, Ai Cập, Trung Quốc và Ấn Độ. Không chỉ là một phương tiện di chuyển, xe ngựa còn tham gia vào hoạt động giao thương hàng hóa, trao đổi thông tin liên lạc và phục vụ mục đích quân sự.

Xe ngựa được coi là vua của các loại xe trong suốt hơn 4.000 năm, cho tới tận thế kỷ 19, khi nó dần bị thay thế bởi những cỗ xe cơ giới chạy bằng động cơ hơi nước, nhiên liệu hóa thạch và bây giờ là động cơ điện.

Mặc dù vậy, tại một số khu vực hẻo lánh, nơi có nguồn nhiên liệu hạn chế, những cỗ xe tận dụng sức kéo động vật vẫn đang được sử dụng làm phương tiện di chuyển và phục vụ sản xuất.

Cơ thể con người, với sự thiếu vắng của những cây xăng và trạm sạc xe điện, hóa ra, cũng là một khu vực lý tưởng để đưa "xe ngựa" quay trở lại.

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Small, các nhà khoa học đến từ Đại học Tokyo Nhật Bản đã sử dụng máy quang khắc trùng hợp 2 photon, cùng một kỹ thuật để chế tạo con tàu Benchy nhỏ nhất thế giới, để tạo ra một phiên bản xe kéo nhỏ nhất thế giới.

Cỗ xe có 2 ách - bộ phận dùng để buộc động vật lấy sức kéo - và một khoang chứa mô phỏng cấu tạo của những cỗ xe song mã.

Tuy nhiên, ở kích thước chỉ khoảng 10 micromet, cỗ xe song mã này chắc chắn không thể sử dụng sức kéo từ ngựa. Mặc dù vậy, các nhà khoa học đã tìm thấy một sinh vật phù hợp để kéo nó: Tảo Chlamydomonas reinhardtii (CR).

Tảo Chlamydomonas reinhardtii có thể bị bẫy vào những chiếc ách hình nón của cỗ xe kéo nhỏ nhất này. Sau đó, nó sẽ dùng roi bơi để kéo chiếc xe di chuyển.

Tảo C. reinhardtii là những sinh vật đơn bào, nhỏ chỉ khoảng 10 micromet sống trong nước ngọt và có roi bơi. Những chiếc roi hoạt động như động tác bơi ếch có thể giúp tảo C. reinhardtii bơi với vận tốc 100-200 micromet/s, nghĩa là gấp 10-20 lần chiều dài cơ thể chúng.

Nếu tính trên tỷ lệ tương đối, những tế bào tảo C. reinhardtii đang bơi với tốc độ thậm chí còn nhanh hơn cả những cỗ xe F1 của loài người. Mỗi chiếc xe F1 dài 5 mét chạy với vận tốc 300 km/h, con số đó chỉ tương đương với 83,3 m/s, bằng 16,67 lần chiều dài của chiếc F1.

Bằng cách bẫy hai tế bào tảo C. reinhardtii chui vào trong hai chiếc "ách" hình nón, các nhà khoa học đã thực sự tạo ra được một cỗ xe kéo "song tảo" có khả năng chuyển động tịnh tiến, cua rẽ, quay đầu và thậm chí lộn vòng trong chất lỏng.

"Có thể bạn đã nghe đến thuật ngữ mã lực, nhưng bạn đã nghe thấy tảo lực bao giờ chưa?

Giống như một chiếc xe trượt tuyết được kéo bởi một đàn chó hoặc một cái cày được kéo bởi những con bò, các nhà nghiên cứu đã tạo ra những cỗ máy cực nhỏ có thể được kéo đi bởi những tế bào tảo xanh nhỏ bé và sống động", trang web của Đại học Tokyo cho biết.

4. Một hướng đi mới cho lĩnh vực microbot

Trên thực tế, đây không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học có ý tưởng sử dụng năng lượng sinh học của vi sinh vật để tạo ra động năng cho những cỗ máy robot bé nhỏ.

Năm 2017, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Roma, Italia cũng từng bẫy những vi khuẩn E. coli có roi bơi để làm quay một bánh răng có kích thước 7,6 micromet ở tốc độ 20 vòng/phút.

Bánh răng này được làm từ 15 vi buồng, mỗi buồng có thể chứa một vi khuẩn E. coli thò roi bơi của chúng ra ngoài để hợp sức đẩy bánh răng quay theo một chiều.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học tại Đại học Tokyo cũng có khả năng tạo ra một vi động cơ tương tự, sử dụng sức đẩy của tảo C. reinhardtii.

Với kích thước lớn hơn gấp 5 lần, họ chỉ cần 4 tế bào tảo để làm quay một "vòng đu quay" có 4 trục với tốc độ khoảng 16 vòng/phút. Nếu tăng số lượng trục và tế bào tảo, trục đu quay này có thể sẽ quay nhanh hơn và cung cấp một cơ chế truyền động mạnh cho các cỗ máy microbot lai sinh học.

Thực tế này cho thấy "sức tảo" có thể được khai thác theo nhiều định hướng sáng tạo, cho phép các kỹ sư tạo ra không chỉ những cỗ xe thô sơ, mà còn có thể lắp ghép thành những cấu trúc cơ giới phức tạp, ví dụ như động cơ đẩy lai sinh học.

"Vi sinh vật sở hữu khả năng di chuyển đáng kinh ngạc, thứ có thể biến chúng trở thành một ứng cử viên tiềm năng để cung cấp lực đẩy cho những cỗ máy siêu nhỏ", các nhà nghiên cứu viết.

Lợi thế của những động cơ này là chúng không phụ thuộc vào nguồn năng lượng từ bên ngoài. Hoạt động của tảo cũng có thể được điều khiển bằng ánh sáng hoặc các chất sinh học. Ví dụ, chỉ cần tiêm một chất dinh dưỡng hoặc tăng cường độ sáng, bạn đã có thể dụ những cỗ xe tảo này chạy về phía vị trí bạn muốn.

Có thể thấy, những "cỗ xe song mã" chạy bằng "sức tảo" một lần nữa đang đưa chúng ta tiến gần hơn tới giấc mơ của Richard Feynman, theo một hướng tiếp cận hoàn toàn mới.

Bên dưới thế giới vi mô chứng kiến sự thất bại của các loại động cơ thường thấy của con người, lại đang có những cơ hội mở ra cho những kết cấu phương tiện thô sơ hơn, nhưng hoạt động hiệu quả hơn.

Với hai tế bào tảo C. reinhardtii gắn vào một thùng xe đẩy, một ngày nào đó, chúng ta có thể sẽ chứng kiến những cỗ xe này chạy bên trong các hồ nước ngọt, làm nhiệm vụ giám sát môi trường, thu gom chất thải ô nhiễm hoặc phân phối chất dinh dưỡng.

Nếu có thể tạo ra một hệ thống động cơ vi tảo C. reinhardtii được bảo vệ khỏi hệ miễn dịch, chúng cũng có thể cung cấp động năng cho những cỗ máy chạy bên trong cơ thể con người, đưa thuốc đến đúng vị trí của khối u, thu dọn cholesterol trong mạch máu hoặc công phá những cục máu đông gây tắc nghẽn.

Có lẽ, ngay cả bên dưới thế giới vi mô, các phương tiện của loài người cũng cần trải qua các bước tiến hóa lần lượt. Ở đó, những cỗ xe ngựa của thời kỳ đồ đồng có thể được đem trở lại, trước khi, chúng ta chứng kiến một cuộc cách mạng công nghiệp trên quy mô micromet.

Chẳng hạn, một cuộc cách mạng giúp thu nhỏ những tế bào pin, quang khắc đến độ phân giải từng nguyên tử, tạo ra được những động cơ điện siêu nhỏ cho những robot tí hon trong trí tưởng tượng của Richard Feynman.

Đừng quên là con người đã phải đi xe ngựa 4.500 năm trước khi có được những chiếc xe hơi trong vòng 300 năm trở lại đây. Chúng ta có thể chờ đợi, trong sự hài lòng với những "cỗ xe tảo".

Bởi khi nói đến thế giới vi mô, vẫn "còn rất nhiều chỗ trống ở phía dưới đó".

Cập nhật: 30/07/2024 ĐSPL