Da điện tử - Đột phá mới của khoa học

Da điện tử nano-sự giao thoa kỳ diệu của vật lý và sinh học

Trước đây, giới khoa học đã có những nỗ lực lớn để tạo ra da nhân tạo từ nguyên liệu hữu cơ do chúng linh hoạt và dễ dàng thao tác. Tuy nhiên, một trở ngại lớn với họ là các vật liệu hữu cơ là các chất bán dẫn kém, có nghĩa là các thiết bị điện tử làm từ các vật liệu này luôn đòi hỏi điện áp lớn để vận hành. Vật liệu vô cơ, như silicon lại có khả năng dẫn điện tuyệt vời và do đó, có thể sử dụng chúng chỉ với điện thế rất thấp. Chúng cũng ổn định về mặt hóa học. Thế nhưng, chúng lại không linh hoạt và dễ bị rạn nứt.

Việc phát hiện ra rằng các sợi vô cơ nano siêu mỏng có thể có độ mềm dẻo đáng ngạc nhiên chính là tiền đề của việc tạo ra các bộ nhận cảm điện tử như thế này.

Da điện tử này được làm từ các dây nano bán dẫn làm từ silicon. Mạng lưới nano là một cấu trúc vô cùng mỏng, chỉ bằng 10.000 lần so với một sợi tóc của con người. Đây là lần đầu tiên da nhân tạo được làm từ các vật liệu bán dẫn bằng chất vô cơ.

Sản phẩm hoàn thiện sẽ có khả năng cảm nhận vật thể tinh tế đáng kinh ngạc.

Các kỹ sư của trường đại học California ở thành phố Berkeley đã tạo ra da điện tử là mạng lưới sợi nano được tạo nên từ gecmani (Ge) và silicon (Si). Cũng như cấu trúc da người, làn da này có cấu tạo nhiều lớp: mạng lưới sợi nano này được phủ lên một màng mỏng polyimide có độ dính cao, các transitor kích cỡ nano được đặt lên phía trên mạng lưới sợi và lớp cuối cùng của "làn da" là một lớp cao su đàn hồi, nhạy cảm. Làn da này chỉ cần chưa đến 5 vol để vận hành và có thể duy trì khả năng này sau khi thao tác 2.000 lần. Da điện tử có thể nhận biết áp lực trong khoảng từ 0 đến 15 kilopascal, đủ để đảm nhận các thao tác đơn giản hàng ngày như đánh máy và cầm nắm một vật nhẹ.

"Chúng tôi mong muốn có thể tạo ra một lớp da phỏng theo da người, tức là có thể cảm nhận và cầm nắm những vật nhỏ và dễ vỡ"-giáo sư Ali Javey, trưởng nhóm nghiên cứu nói.

Ngày nay, các robot đã có thể thay con người làm được rất nhiều việc phức tạp, nhưng do không có khả năng cảm nhận áp lực như người nên chúng không thể thực hiện nhiều việc cần thiết cho cuộc sống hàng ngày của người như cầm nắm các vật dụng dễ vỡ như cốc chén thủy tinh, lật trang báo...

Ngay cả những người vụng về nhất cũng có thể cầm một quả trứng mà không làm vỡ, thế nhưng đối với các robot-dù là phiên bản mới tối tân nhất, chúng ta cũng luôn lo sợ chúng sẽ làm vỡ bát đĩa. Và da nhân tạo có thể giúp khắc phục được vấn đề nan giải nhất của người máy, giúp chúng bớt vụng về hơn và "giống người" hơn. Những người phải sử dụng chi giả cũng sẽ có thể có cảm giác về lực khi tác động vào các vật như chi thật.

Cảm nhận được cả một cánh bướm đậu?

Loại da điện tử thứ hai dựa trên một tấm màng cao su có đặc tính thay đổi độ dày theo áp lực. Những tụ điện được cấy vào trong màng cao su để đo sự biến đổi của áp lực. "Tốc độ đáp ứng của da điện tử này đối với áp lực tương đương với da người, tức là chỉ trong vòng vài phần nghìn của giây. Đặc tính đó cho phép da điện tử cảm nhận được áp lực ngay tức thì" -giáo sư Zhenan Bao, trưởng nhóm nghiên cứu của Đại học Stanford nói.

Với cấu tạo theo kiểu "bánh sanwhich" gồm lớp cao su đàn hồi nằm giữa hai tấm điện cực song song như vậy, "làn da điện tử có độ nhạy cảm gấp 1000 lần da người, và nó có thể cảm nhận được những động chạm nhẹ nhất như một cánh bướm bay qua".

"Chúng tôi đã tạo nên một cấu trúc siêu vi có tác dụng như một lò xo lý tưởng"- bà cho biết thêm. Độ dày của loại da nhân tạo này, bao gồm cả lớp cao su và hai lớp điện cực, chưa đến một millimet.

Chỉ cần thay đổi cấu trúc của cao su, chúng ta sẽ có các loại da với các độ nhạy cảm khác nhau, phù hợp với các vị trí trên cơ thể cảm nhận được các trạng thái lực khác nhau. Ví dụ, da ở đầu ngón tay thì rất nhạy cảm, nhưng da ở khủy tay thì khá "trơ".

Làn da này có từ vài trăm nghìn cho đến 25 triệu "kim tự tháp"-các đầu cảm ứng- trong mỗi centimet vuông. Dưới kính hiển vi có độ phóng đại cao, "ma trận" với nhiều cấu trúc nhỏ xíu này giống như một thế giới kỳ lạ của nền văn minh Ai Cập cổ đại.

Mật độ dày đặc của các đầu cảm ứng này đã cho phép cảm nhận được những lực vô cùng nhỏ. Bằng cách thay đổi cấu hình của các vi cấu trúc này, làn da có thể cảm nhận được những chi tiết tinh vi của vật thể. Với độ phân giải cao hơn, làn da có thể nhìn được cả các chi tiết nhỏ trên một đồng xu. Liệu chúng ta có thể hy vọng về một làn da nhân tạo "biết nhìn", tức là có thể kết hợp xúc giác và thị giác của con người trên một làn da điện tử?

Giới khoa học đánh giá rất cao cả hai thành tựu đột phá này và chúng ta mong chờ sự ra đời của một sản phẩm mới kết hợp sự linh hoạt của thiết bị của nhóm Ali Javey và nhạy cảm với từng áp lực siêu nhỏ của Zhenan Bao. Khi đó, chúng ta có thể có những chú robot với những đặc tính siêu đẳng có thể thực hiện được những động tác vô cùng tinh tế, hiện thực hóa ước mơ "siêu nhân" của con người.