Mồ hôi sẽ là nguồn năng lượng cho thiết bị đeo thế hệ tiếp theo?

Phải thừa nhận rằng chúng ta rất thích thú với những chiếc đồng hồ thông minh và những tính năng tuyệt vời của chúng. Nhưng vẫn còn một vấn đề có thể khiến người dùng cảm thấy khó chịu là phải sạc pin cho chúng thường xuyên.

Giải pháp khắc phục dễ nhất là tăng dung lượng pin, tuy nhiên kéo theo đó là kích thước lớn hơn và khối lượng cũng sẽ tăng theo. Tất cả những thiết bị đeo hiện nay gồm vòng đeo tay thể thao, tai nghe không dây hay kính áp tròng thực tế ảo đều gặp phải vấn đề về nguồn năng lượng. Và với công nghệ pin hiện nay, chúng quá cứng cũng như quá cồng kềnh để có thể uốn cong hoặc gắn trực tiếp lên da người dùng.

Năng lượng cần thiết cho những thiết bị này khoảng từ 1 mW cho bộ đếm bước đơn giản đến 10 mW cho một chiếc đồng hồ thông minh có nhiều chức năng hơn. Khi sử dụng những viên pin có kích thước chỉ vài centimet với dung lượng tối đa khoảng 300 mAh thì thời gian sử dụng thiết bị chỉ khoảng một vài ngày.

Tất cả những thiết bị đeo hiện nay đều gặp vấn đề về nguồn năng lượng. (Ảnh: Sean McCabe).

Các nhà nghiên cứu đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc phát triển loại pin mới có khả năng uốn dẻo cũng như loại siêu tụ điện mới. Tuy nhiên, rất khó để sản xuất những loại pin như vậy với kỹ thuật in lưới giá thành thấp. Một số đơn vị phát triển khác lại đang tìm cách loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng pin, thay vào đó là sử dụng chip Near Field Communication (NFC – công nghệ kết nối không dây tầm ngắn) để cấp nguồn không dây. Nhưng công nghệ NFC lại đòi hỏi phải có một nguồn năng lượng ngoài, như điện thoại chẳng hạn, và nó phải ở gần thiết bị đeo trong phạm vi chỉ vài centimet; một khi nguồn năng lượng ra khỏi phạm vi này, thiết bị đeo sẽ ngừng hoạt động.

Tại Trung tâm nghiên cứu Cảm biến đeo được của Đại học California (San Diego), các nhà nghiên cứu đã tìm ra một giải pháp tốt hơn giải quyết vấn đề nguồn năng lượng cho những thiết bị đeo trong tương lai. Đó chính là thu thập nguồn năng lượng thải, nhất là năng lượng sinh học, từ chính người đeo thiết bị. Những thiết bị đeo sử dụng nguồn năng lượng này có thể nhỏ đến mức người sử dụng hoàn toàn không cảm nhận được sự hiện diện của nó và các nhóm nghiên cứu gọi đó là những thiết bị đeo "vô hình".

Mồ hôi chính là nguồn năng lượng sinh học đầu tiên

Việc thu thập năng lượng từ cơ thể chúng ta hay từ các yếu tố xung quanh không phải là một sáng kiến mới. Trước đó, một số nguồn năng lượng đã được sử dụng như chuyển động, ánh sáng và nhiệt. Từ những năm 1770, một chiếc động hồ tự hành đã sử dụng chuyển động tự nhiên của cơ thể để tạo ra năng lượng. Trong thiết bị tự hành đầu tiên này, một quả lắc bên trong đồng hồ sẽ tạo năng lượng cho chính nó. Phiên bản mới nhất thì sử dụng quả lắc từ tính chạy qua lõi cuộn dây để tạo ra dòng điện và sạc vào pin. Những chiếc đồng hồ tự hành hiện đại sử dụng vật liệu áp điện, các chất kết tinh có thể giải phóng một lượng điện tích khi bị uốn cong hoặc xoắn.

Các tấm pin năng lượng mặt trời đã được chế tạo với kích thước chỉ bằng móng tay và chúng có thể tạo năng lượng trong hàng thập kỷ. Hầu hết chúng đều ở thể rắn, nhưng các nhà nghiên cứu tại trung tâm này đã phát triển loại pin năng lượng mặt trời dẻo và thậm chí có thể xoắn được.

Loại năng lượng thứ ba là nhiệt lượng từ cơ thể. Ở hầu hết các vùng khí hậu, nhiệt độ cơ thể luôn cao hơn nhiệt độ môi trường. Những máy nhiệt điện cỡ nhỏ có thể hoạt động dựa trên sự khác biệt này. Chiếc đồng hồ thông minh cơ bản PowerWatch là thiết bị đầu tiên sử dụng nguồn điện này và được trên bề mặt tiếp xúc với da của của người dùng.

Đáng tiếc thay, chỉ một vài trong số phương pháp tạo nguồn cấp điện trên có thể áp dụng cho một thiết bị đeo nhỏ, linh hoạt và hữu ích. Nguồn cấp điện từ chuyển động có thể ổn với đồng hồ, tuy nhiên nó lại không thể sử dụng với các thiết bị có vị trí đeo khác như trên ngực hoặc tai. Nguồn nhiệt điện thì lại chỉ đạt hiệu quả với thiết kế có một bộ hấp thụ nhiệt lớn, thường được làm bằng nhôm, để có thể hấp thụ nhiệt lượng từ cơ thể và chuyển đến thiết bị. Ngoài ra, cả nhiệt điện và quang điện đều không thể hoạt động hiệu quả khi thiết bị đeo nằm dưới lớp quần áo.

Đó là lý do vì sao nguồn điện từ mồ hôi là ứng cử viên sáng giá nhất. Một số chất hóa học có trong mồ hôi người có thể sử dụng làm nhiên liệu cho các tấm pin nhiên liệu. Tấm pin nhiên liệu sinh học này có thể tạo ra nguồn năng lượng đủ lớn cho những thiết bị thực tế hơn. Nhóm nghiên cứu tại Đại học California đã phát triển một nguyên mẫu thiết bị đeo sử dụng nguồn năng lượng từ mồ hôi.

Ảnh: Trung tâm nghiên cứu Cảm biến đeo được, Đại học California (San Diego)

Mồ hôi trở thành năng lượng như thế nào?

Một pin nhiên liệu gồm hai điện cực, một cực dương và một cực âm và một chất điện phân giữa chúng. Nhiên liệu đi vào cực dương, tại đây, một chất xúc tác sẽ phân tách các phân tử của nó thành electron và proton. Các proton đi qua màng và đến cực âm trong khi các electron sẽ đi vào mạch điện. William Robert Grove, một nhà khoa học xứ Wales, đã tạo ra hệ thống này từ năm 1839; ông đã sử dụng khí hydro để làm nhiên liệu và khí oxi làm chất xúc tác để tạo ra nước và dòng điện.

Khí hydro không phù hợp để làm nhiên liệu cho các thiết bị đeo vì chúng rất dễ bắt lửa. Mặc khác, mồ hôi lại là nguồn nhiên liệu phong phú và dễ tiếp cận, đặt biệt là đối với người chơi thể thao hoặc tập thể dục. Đồng thời, những người hay vận động lại là tệp khách hàng thường xuyên sử dụng các loại thiết bị đeo mới nhất và nhiều nhất. Đây được dự báo là những khách hàng đầu tiên hứng thú với những thiết bị đeo sử dụng nguồn năng lượng nhiên liệu sinh học trên thị trường.

Ngoài nước, mồ hôi còn chứa nhiều loại khoáng chất và một số chất khác như glucose và lactate. Những chất này còn được gọi là chất chuyển hóa, chúng là sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa trong cơ thể sống và trở thành một nguồn năng lượng sinh học tiềm năng. Chúng ta đặc biệt quan tâm đến chất lactate vì hàm lượng của chúng trong mồ hôi tăng cao khi cơ thể vận động mạnh. Trong pin nhiêu liệu sinh học, chúng tôi tạo ra các lớp enzymes có thể phản ứng với lactate có trong mồ hôi để tách electron và proton, từ đó tạo ra dòng điện.

Dù vậy, nghiên cứu lần này không phải là lần đầu tiên dịch cơ thể được sử dụng làm nhiên liệu. Một số máy tạo nhịp tim và trợ thính cấy ghép từ những năm 1970 đã nghĩ đến việc sử dụng glucose làm nguồn năng lượng cho pin nhiên liệu sinh học. Việc sử dụng các nhiên liệu sinh học trong cơ thể để làm nguồn năng lượng cho các thiết bị cấy ghép cũng là điều hợp lý vì sự phong phú của chúng. Hạn chế lớn nhất là các enzymes được sử dụng để phân giải nhiên liệu nhanh chóng suy giảm và mất tác dụng chỉ sau vài ngày. Cách duy nhất để khôi phục là phẫu thuật để thay thiết bị cấy ghép và tất nhiên là chẳng ai lại làm như vậy chỉ sau vài ngày cấy ghép cả.

Để khắc phục vấn đề suy giảm enzyme, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào phát triển thiết bị đeo dùng một lần ngoài cơ thể. Tấm pin nhiên liệu sinh học đầu tiên được nhóm giới thiệu vào năm 2014. Tấm pin nhiên liệu sinh học lactate được chế tạo bằng công nghệ in lưới trên một băng trán bằng vải và một băng quấn cổ tay.

Những người tham gia thí nghiệm sẽ mang băng trán và băng cổ tay trong khi đạp xe. Từng pin nhiên liệu sinh học sẽ được nối với một bộ chuyển đổi DC-DC nhỏ. Bộ chuyển đổi đã thể hiện số vôn đủ để thắp sáng một đèn LED có công suất 1 microwatt hoặc cho một chiếc đồng hồ điện tử. Trong thí nghiệm trên, mỗi centimet vuông pin nhiên liệu sinh học có thể tạo ra đến 100 microwatt, đủ để cấp nguồn cho cả đèn LED và đồng hồ cùng lúc. Lượng điện năng do pin nhiên liệu sinh học tạo ra lớn hơn so với một nguồn nhiệt điện nhỏ hay một nguồn quang điện với điều kiện ánh sáng trong nhà.

Mồ hôi không phải là nguyên liệu sinh học duy nhất chúng ta có thể tận dụng từ cơ thể. (Ảnh: Chris Philpot).

Đến nay, đây là bản thử nghiệm đầu tiên của một pin nhiên liệu có thể in được trong một thiết bị đeo trên một vật thể thông dụng. Hơn nữa, vì tấm pin nhiên liệu sinh học có thể in được trên các chất liệu linh hoạt, nên các thiết kế sẽ giúp người dùng thoải mái khi sử dụng cũng như có thể hoạt động tốt ngay cả khi bị uốn cong nhiều lần. Tuy nhiên, nguồn năng lượng này chưa thể cung cấp đủ điện cho một cảm biến theo dõi hoạt động hiện đại hay một chiếc đồng hồ thông minh đa tính năng. Và nó cũng chưa thể khiến chúng ta thoải mái khi tiếp xúc với da như mong đợi.

Tất nhiên là một thiết bị đeo thật sự có nhiều linh kiện hơn một chiếc đồng hồ điện tử. Phải kể đến là những bộ theo dõi hoạt động đơn giản nhất như gia tốc kế, bộ nhớ và sóng Bluetooth. Với những thành phần kể trên thì nguồn điện cần đạt công suất khoảng từ 1 đến 2 mW, gấp 10 lần so với khả năng của phiên bản đầu tiên năm 2014. Vì vậy, tăng công suất cho pin năng lượng sinh học là một trong những thách thức lớn nhất của nhóm nghiên cứu. Nếu những tấm pin này không thể tạo ra đủ điện năng mà các sản phẩm công nghệ cần thì chúng không thể ứng dụng trên thực tế.

Năm 2017, nhóm nghiên cứu tại Đại học California đã hợp tác với Sheng Xu và nhóm nghiên cứu của anh để tạo ra một ống nano carbon 3D ở dạng viên nhỏ có thể gắn vào cực dương và cực âm. Những viên này đã làm tăng diện tích bề mặt điện cực mà không cần tăng kích thước thiết bị. Nhờ đó chúng cho phép các điện cực có nhiều chất xúc tác hơn, tiếp xúc với nhiều nhiên liệu hơn và tạo ra nhiều năng lượng hơn.

Tăng diện tích bề mặt hoạt động của pin và thêm thành phần hóa học vào chất xúc tác đã giúp tấm pin nhiên liệu sinh học tăng công suất gấp 10 lần, đạt 1 mW trên mỗi centimet vuông. Mức năng lượng này tương đương với một tấm pin năng lượng mặt trời nhỏ đặt trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời.

Tuy nhiên, những điện cực 3D được sử dụng lại không linh hoạt. Thiết kế mà nhóm hướng đến phải đảm bảo có thể uốn dẻo cũng như kéo dãn. Vì cơ thể con người không đồng đều và có độ cong, nên nếu chỉ mềm dẻo thôi vẫn chưa đủ để đảm bảo tấm pin nhiên liệu sinh học có thể nằm một cách thoải mái trên bề mặt da. Hiện nhóm nghiên cứu vẫn đang tiếp tục nghiên cứu giải pháp khắc phục vấn đề này.

Ngoài ra, vẫn còn một trở ngại khác trong quá trình truyền tải năng lượng từ mồ hôi sang thiết bị đeo. Trong phần lớn thời gian, cơ thể không đổ nhiều mồ hôi, hay ít nhất là lượng mồ hôi không đủ để tạo ra lượng năng lượng cần thiết. Nếu cơ thể không tiết mồ hôi, tấm pin nhiên liệu sẽ bị khô và ngừng hoạt động. Đối với những người yêu thể thao hay vận động viên thì vấn đề này không quá lớn, nhưng với những trường hợp khác thì ngược lại.

Có ba cách để giải quyết vấn đề này. Một là chỉ ứng dụng pin nhiên liệu sinh học cho những thiết bị có thể đảm bảo lượng mồ hôi cần thiết. Hai là thêm một bộ tích điện. Và ba là thêm một nguồn điện bổ sung ngoài pin nhiên liệu sinh học.

Xét về mặt kinh tế thì việc giới hạn thiết bị sử dụng là không phù hợp. Chính vì vậy, nhóm đã tập trung nghiên cứu vào hai giải pháp sau. Đối với những thiết bị đeo cần cấp nguồn liên tục, như đồng hồ thông minh chẳng hạn, hiển nhiên giải pháp sẽ là sử dụng pin hoặc siêu tụ điện như một nguồn năng lượng phụ. Tất nhiên là bộ nguồn phụ phải có cùng tính chất vật lý tương tự phần còn lại của thiết bị đeo vì nếu không thì toàn bộ nghiên cứu sẽ chẳng có ý nghĩa gì.

Để giảm sự phụ thuộc vào bộ nguồn phụ, nhóm nghiên cứu cũng đã tìm cách phát triển một bộ nguồn đa năng. Người sử dụng thiết bị không cần phải tiết mồ hôi liên tục, thay vào đó là kết hợp ba loại nguồn điện từ nhiên liệu sinh học, ánh sáng và nhiệt sẽ làm tăng lượng điện sản sinh ra tại một thời điểm cụ thể hơn là khi chỉ sử dụng một nguồn duy nhất. Và tất nhiên, nó vẫn phải đảm bảo được sự thoải mái và có độ linh hoạt cần thiết.

Đến nay, không chỉ sử dụng tấm pin nhiên liệu sinh học thay thế cho pin truyền thống trên thiết bị đeo đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công, nhóm nghiên cứu tại Đại học California cũng đã đạt được một số tiến bộ trong quá trình sản xuất pin bằng công nghệ in có kích thước nhỏ hơn, rẻ hơn và độ linh hoạt cao hơn so với pin truyền thống. Những kết quả nghiên cứu trên, cùng với những siêu tụ điện thế hệ mới, sẽ giúp rút ngắn thời gian pin năng lượng sinh học xuất hiện trên các thiết bị đeo trong tương lai.

Những bộ cảm biến tự cung tự cấp

Đặc biệt, đây mới là điểm đặc biệt nhất của pin nhiên liệu sinh học. Chúng có thể hoạt động như một cảm biến. Đây là điều mà không một loại pin nào khác có thể làm được. Chúng có thể làm được điều này vì công suất của tấm pin thường tỉ lệ thuận với nồng độ của chất hóa học dùng làm nhiên liệu. Chúng ta có thể dựa vào điều này để tạo ra một bộ cảm biến tự cấp nguồn, chúng vừa có thể theo dõi chỉ số, vừa có thể tạo ra năng lượng. Ý tưởng này lần đầu tiên được đưa ra vào năm 2001 bởi một nhóm nghiên cứu tại Đại học Do thái Jerusalem.

Tạo năng lượng từ mồ hôi là một công nghệ mới, do vậy vẫn còn nhiều trở ngại mà các nhà khoa học phải đối mặt. Ví dụ như lượng mồ hôi mỗi người tiết ra là khác nhau, do vậy thiết bị phải đảm bảo phù hợp với nhiều điều kiện khác nhau. Đồng thời, việc tích hợp công nghệ này với các công nghệ khác để tạo ra một thiết bị hoàn chỉnh cũng là một thách thức lớn.

Và cuối cùng, tuổi thọ của các tấm pin năng lượng sinh học cũng cần được cải thiện. Hiện tại, các nguyên mẫu chỉ được thiết kế để sử dụng một lần, có thể dễ dàng đeo vào và tháo ra như một miếng băng y tế cá nhân vậy. Để được xem như là một thiết bị đeo thật sự, ít nhất chúng phải có thể sử dụng trong một ngày, ví dụ như vận động viên sử dụng để tối ưu hóa quá trình tập luyện, hay người bệnh cần theo dõi nhiệt độ và mức hydrat hóa, hoặc với những cá nhân cần theo dõi hoạt động của cơ thể.

Một khi nghiên cứu thành công, các nhà khoa học sẽ có thể tạo ra một thế hệ thiết bị đeo nhỏ gọn, linh hoạt, mạnh mẽ, chắc chắn, có thể làm sạch và có thể sử dụng suốt ngày đêm mà không cần sạc. Mồ hôi không phải là nguyên liệu sinh học duy nhất chúng ta có thể tận dụng từ cơ thể. Nước mắt cũng có thể làm nhiên liệu sinh học cho các loại kính áp tròng, nước bọt có thể cấp năng lượng cho tấm bảo vệ miệng thông minh. Nước tiểu trẻ sơ sinh có thể dùng để tạo năng lượng cho tã thông minh, hay các loại dịch trên da thu được bằng vi kim có thể dụng để cấp nguồn cho thiết bị cấp thuốc. Những thiết bị trên cùng với những cảm biến sinh học tự cấp nguồn có thể đo những chỉ số sinh học của người dùng và gửi về ứng dụng theo dõi sức khỏe qua mạng không dây, những dữ liệu thu được hứa hẹn sẽ tốt hơn nhiều so với các thiết bị đeo hiện nay. Đó chính là tương lai của thiết bị đeo, những thiết bị "vô hình".

Cập nhật: 06/07/2020 Theo vnreview