Thế hệ thiết bị cảm ứng mới

Một loài cá mù đã phát triển một kỹ năng cảm nhận chuyển động đặc biệt, có thể là tiền đề cho thế hệ thiết bị cảm ứng mới hoạt động tốt hơn thiết bị cảm ứng siêu âm.

Mặc dù loài cá Astyanax fasciatus không nhìn thấy gì, chúng cảm nhận môi trường và chuyển động của nước xung quanh chúng với những sợi lông chứa chất đặc quánh tiết ra từ cơ thể. Khả năng dò tìm những vật thể dưới nước và định hướng trong môi trường không có ánh sáng của chúng đã tạo cảm hứng cho một nhóm các nhà khoa học bắt chước cấu trúc lông của loài cá sống trong hàng này.

Trong khi loài cá sử dụng lông để dò tìm vật cản, tránh loài săn mồi, và xác định vị trí săn mồi, các nhà nghiên cứu tin rằng thiết bị cảm ứng họ đang phát triển có thể có nhiều ứng dụng dưới nước, ví dụ như an ninh cảng, giám sát, cảnh báo sóng thần, định hướng dưới nước tự động, và nghiên cứu biển.

Vladimir Tsukruk, giáo sư tịa Trường khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học công nghệ Georgia, cho biết: “Những tế bào lông này giống như nhũng thiết bị cảm ứng rất nhạy, giống như thiết bị chúng ta sử dụng để cân bằng và nghe trong tại người. Sự trệch hướng hoặc độ lệch của sợi lông chứa chất đặc quánh đo thông tin quan trọng. Những sợi lông này hiệu quả hơn thiết bị cảm ứng sóng siêu âm cần rất nhiều không gian, gửi đi những sóng âm mạnh có thể có hại cho môi trường”.

Trong bài diễn thuyết tại cuộc họp của Hiệp hội vật lý Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu từ Georgia Tech đã mô tả thiết bị cảm ứng chuyển động của họ bắt chước loài cá mù sống trong hang. Nghiên cứu do Cơ quan nghiên cứu phòng vệ (DARPA) tài trợ.

Tsukruk và nghiên cứu sinh Michael McConney và Kyle Anderson thực hiện những thí nghiệm sơ bộ với một tế bào cảm ứng nhân tạo chế tạo từ SU-8, một polymer gốc epoxy thông thường có khả năng đông đặc, dựa trên công nghệ vi chế tạo CMOS thông thường. Họ nhận thấy rằng tế bào nhân tạo này không có khả năng dò tìm những do động thủy động lực một cách nhạy bén và ở khoảng cách xa. Tế bào tóc nhân tạo cần vỏ đặc quánh – gọi là cupula – để vượt qua những thách thức này.

Tsukruk, người nắm giữ vị trí quan trọng trong Trường Ký thuật Polyme, sợi và dệt thuộc Đại học công nghệ Georgia, cho biết: “Sau khi bao phủ tế bào tóc với cupula tổng hợp, thiết bị vi cảm ứng có khả năng dò tìm tốt hơn cả loài cá mù. Loài cá có thể nhạn biết những dòng chảy chậm hơn 100 micromet một giây, nhưng hệ thống của chúng tôi có thể nhận biết dòng chảy vài micromet một giây. Thêm vào cupula cho phép chúng tôi dò tìm lượng dao động nhỏ hơn và mở rộng phạm vi thủy động lực”.

Bức ảnh hiện vi quang học của có thể loài cá mù sống trong hang cho thấy một dãy cupula. Loài cá này sử dụng lông (tóc) để nhận biết vật cản, tránh loài săn mồi và xác định ví trí con mồi. (Ảnh: Michael McConney)

Thêm vào đó, vỏ hydrogel bảo vệ vi cảm ứng và tăng khả năng chống lại biến dạng do áp lực. Nó cũng giúp thiết bị thích nghi tốt hơn với môi trường biển, chống chịu sự ăn mòn và phát triển của các vi sinh vật.

Trước khi nhóm nghiên cứu bắt đầu tổng hợp vật liệu giống như gel trong phòng thí nghiệm, họ sửu dụng kính hiển vi quang học và kính hiển vi huỳnh quang để xác định kích thước, hình dạng và đặc tính của cupula thật của loài cá kể trên. Một loại cupula họ phát hiện có hình trụ, với chiều cao gấp 5 lần đường kính,.

Để tạo ra cupula tổng hợp trong phòng thí nghiệm, McConney thêm vào một dunh dịch poly (ethylene glycol) tetraacrylate hòa tan trong methanol trực tiếp lên sợi tóc cảm ứng. Khi giọt đầu tiên khô, ông tiếp tục thêm các giọt khác lần lượt cho đến khi hình thành nên cấu trúc hydrogel. Khi cả cấu trúc cupula khô, McConney cho nó tiếp xúc với ánh sáng cực tím để hình thành mạng lưới 3 chiều.

McConney cho biết: “Phương pháp thêm vào một giọt tại một thời điểm cho pehps chúng tôi kiểm soát độ rộng và chiều cao của cupula và khoảng cách từ đáy cupula đến gốc của sợi tóc”. Trong khi cac snhaf nghiên cứu phát hiện rằng đặt cupula tổng hợp gần nhất với gốc cảm ứng sẽ củng cố độ bền và tuổi thọ của capula, thì họ cũng nhận thấy rằng khả năng dò tím tốt nhất khi cấu trúc cupula bắt đầu từ giữa sợi tóc rồi mỏ rộng quá 50% sợi tóc. Họ đạt được những kết quả tốt nhất với sợi tóc cảm ứng dài 550 milimet với cupula bắt đầu từ 275 milimet trên thân tóc rồi kéo dài quá 275 milimet, tổng chiều dài cấu trúc là 825 milimet.

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã chế tạo 8 loại vi cảm ứng và đều có khả năng dò tím những vật dao động trong nước. Hiện họ đang tìm kiếm đối tác để mở rộng quy mô nghiên cứu bằng cách chế tạo hàng nghìn vi cảm ứng và kiểm tra chúng trong môi trường thực.

Cheryl Coomb thuộc Đại học bang Bowling Green và Chang Liu thuộc Đại học Illinois cũng đóng góp vào nghiên cứu.