Một đội nghiên cứu ở Hàn Quốc vừa chế tạo ra một bộ cảm biến đơn giản, rất nhạy và dẻo hoạt động dựa trên các lực liên phân tử giữa những “sợi tóc nano”. Dụng cụ được chế tạo là một tương đương nhân tạo của da người. Nó có khả năng phân biệt và đo áp suất, cũng như sức căng và lực xoắn, và có thể được sản xuất dễ dàng và có tính kinh tế.
Việc tái tạo những phẩm chất của da ở một bộ cảm biến nhân tạo di động tỏ ra là một thách thức bởi vì có những ràng buộc thiết kế nghiêm khắc với những bộ cảm biến như thế khiến chúng hết sức phức tạp để chế tạo. Đáng kể nhất, các dụng cụ đó cần phải đủ mỏng và đủ dẻo để cuộn quanh những chỗ có độ cong cao như ngón tay và ngón chân mà không bị hỏng. Đây là cái khó bởi vì đa số các chất dùng trong điện tử học, ví dụ như silicon và germanium, ở trạng thái nguyên khối của chúng, thường cứng và giòn.
Ảnh chụp mạng lưới cảm biến liên kết mà các nhà nghiên cứu dùng để đo sự dịch chuyển áp suất. Hai con bọ rùa được đặt trên bề mặt của bộ cảm biến và sự di chuyển của chúng được lập bản đồ qua áp suất dịch chuyển. (Ảnh: MBSLAB, SNU)
Điện tử học biểu bì
Những nhóm nghiên cứu khác nhau đã có sự tiến bộ trong nghiên cứu “điện tử học biểu bì” sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Nhóm của John Rogers tại trường Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, chẳng hạn, đã sử dụng một phương pháp in-truyền để khắc từng con chip silicon đến kích cỡ micromet và gắn chúng lên một chất nền dẻo, cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra những bộ theo dõi nhịp tim không dây dính với da giống như hình xăm tạm thời sử dụng lực Van der Waals. Những nhóm khác đã chế tạo những mạch điện dẻo sử dụng ống nanocarbon hoặc graphene. Nhưng người ta vẫn còn nghi ngờ những phương pháp như thế có thể khả thi hay không để dùng chế tạo một bộ cảm biến di động có khả năng đo và phân biệt giữa những loại lực khác nhau trên một vùng lớn của “da”, vì mạch điện đó sẽ trở nên phức tạp thêm và các yêu cầu kĩ thuật cũng không ngừng tăng lên.
Thay vậy, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học quốc gia Seoul (SNU), cùng với một đồng nghiệp từ nhóm của Rogers ở Illinois, đã chế tạo ra một bộ cảm biến đơn giản hơn dựa trên điện trở áp điện – trong đó sự biến thiên độ dẫn điện của một chất bán dẫn được gây ra bởi sức căng cơ học tác dụng từ bên ngoài. Thiết kế của họ sử dụng hai lớp mỏng polymer dẻo - polymethylsiloxane (PDMS) - hơi tách rời nhau một chút – mỗi lớp có tráng một lớp platinum rất mỏng để làm cho chúng dẫn điện. Sau đó, đội nghiên cứu cho tráng bề mặt bên trong của cả hai lớp polymer một thảm dày “tóc nano” tráng platinum. Lực Van der Waals giữa những sợi nano quấn vào nhau làm cho hai lớp polymer bị kéo lại giống như một loại khóa Velcro phân tử vậy. Tuy nhiên, sự kháng lại của sợi nano trước sự bẻ cong đồng thời có tác dụng làm đẩy chúng ra xa. Hai lực đó cân bằng nhau ở một khoảng cách cân bằng.
Hình minh họa hai lớp polymethylsiloxane dẻo (PDMS) tráng platinum và những lớp sợi nano bên trong mỗi tấm, tạo nên bộ cảm biến. (Ảnh: MBSLAB, SNU)
Đầu nhọn platinum
Vì các sợi tóc được tráng platinum, nên chúng mang lại một đường dẫn điện giữa những lớp polymer nếu không có chúng thì đã tách rời nhau. Mọi áp lực đặt lên bộ cảm biến ở một điêm nhất định mang hai lớp đến gần nhau hơn, do đó làm tăng lượng tiếp xúc giữa các sợi tóc và làm giảm điện trở. Khi áp lực không còn, hai lớp trở lại khoảng cách cân bằng của chúng và điện trở trở lại bình thường. Lực kéo và lực xoắn còn ảnh hưởng đến lớp màng đôi, mặc dù theo những cách phức tạp hơn. Sử dụng công nghệ đã có, các nhà nghiên cứu đã có thể thu thập số đo điện trở từ một ma trận 2D sít nhau của các điểm trên bộ cảm biến và sử dụng chúng để phân biệt và đo áp suất, lực kéo và lực xoắn.
Các nhà nghiên cứu thể hiện độ nhạy của dụng cụ của họ qua một vài minh chứng. Họ đo một giọt nước nhỏ phản xạ trên một bề mặt kị nước và đồng thời đo sự biến thiên tốc độ và cường độ của nhịp tim của một tình nguyện viên sau bài tập thể lực, sử dụng một bộ cảm biến gắn với động mạch cổ tay của họ. Họ còn chứng minh khả năng của bộ cảm biến đo sự phân bố không gian của áp suất bằng cách sử dụng một mạng lưới cảm biến liên kết gồm 64 pixel và đặt hai con bọ rùa ở những vị trí tách biệt trên bề mặt của nó, lập bản đồ sự dịch chuyển áp suất của chúng khi hai con côn trùng đi trên bộ cảm biến.
Nhà nghiên cứu Kahp-Yang Suh giải thích rằng các kĩ thuật dùng trong chế tạo bộ cảm biến trên dễ dàng làm theo và có tính kinh tế. “Rất dễ tái tạo cấu trúc sợi tóc này bằng một quá trình in khắc mềm bình thường,” ông nói. “Bạn có thể dễ dàng tái tạo từ một miếng silicon bằng một quá trình gọi là sao đúc, kĩ thuật đã biết rõ trong lĩnh vực của chúng tôi.”
John Rogers thấy ấn tượng trước thiết kế của các nhà nghiên cứu trên. Tuy nhiên, ông vẫn còn hoài nghi khẳng định của các nhà nghiên cứu trên rằng đã loại bỏ nhu cầu có những mạch điện tử phức tạp. “Nếu muốn có da nhân tạo thực sự, đa chức năng, thì bạn cần rất nhiều chất liệu khác nhau, ví dụ như các bộ cảm biến khác nhau, các bộ khuếch đại điện tử và các dụng cụ đa thành phần. Yêu cầu và lợi ích của các dụng cụ điện tử là không thể bác bỏ,” ông nói.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Materials.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
