Đột phá chất bán dẫn 3D có thể giúp Elon Musk giải quyết vấn đề đào thải chip não của Neuralink
Các nhà khoa học Đại học Hong Kong phát triển chất bán dẫn 3D dạng hydrogel siêu mềm, tương thích sinh học cao, giúp giảm phản ứng miễn dịch và mở ra thế hệ mới cho thiết bị cấy não, điện tử sinh học và robot mềm.
Các chất bán dẫn 3D cho phép kết nối không gian 3D. Ảnh: TNS.
Một phát hiện của nhóm Đại học Hong Kong (HKU), Trung Quốc có thể giúp giải quyết một vấn đề lớn của các thiết bị điện tử sinh học: phản ứng miễn dịch khiến cơ thể từ chối cấy ghép.
Các nhà khoa học đã phát triển một loại chất bán dẫn mới, được kỳ vọng có thể vượt qua thách thức lớn nhất của điện tử sinh học – phản ứng miễn dịch khiến cơ thể đào thải thiết bị.
Điện tử sinh học là lĩnh vực tích hợp hệ thống điện tử vào hệ sinh học thông qua các thiết bị có khả năng theo dõi hoặc tương tác với quá trình tự nhiên của cơ thể. Các ví dụ tiên tiến bao gồm giao diện não – máy tính (BCI), có thể chuyển tín hiệu não thành lệnh điều khiển thiết bị bên ngoài.
Các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc và Mỹ – bao gồm cả công ty Neuralink của tỷ phú Elon Musk – đã đưa công nghệ BCI xâm lấn vào giai đoạn thử nghiệm lâm sàng.
Kể từ khi công bố nghiên cứu trên tạp chí khoa học uy tín Science tháng trước, nhóm của Đại học Hong Kong cho biết họ đã nhận được liên hệ từ các nhà nghiên cứu y sinh để khám phá ứng dụng của phát hiện này.
Nhóm cho biết họ đã phát triển chất bán dẫn 3D dạng hydrogel, vượt qua những vật liệu cứng như silicon để tạo ra các thiết bị tương thích với cơ thể hơn.
Tác giả chính, ông Zhang Shiming, trợ lý giáo sư tại khoa kỹ thuật điện và điện tử của HKU, cho biết chất bán dẫn dựa trên hydrogel này tương thích cao với cơ thể, mang lại cảm giác “như lớp da thứ hai”.
Ông Zhang nói công nghệ đã hoàn tất giai đoạn chứng minh ý tưởng trong phòng thí nghiệm và hiện đang ở giai đoạn nghiên cứu nền tảng cho các ứng dụng như giao diện não – máy tính.
Ứng dụng có thể bao gồm kích thích não sâu – phương pháp cấy điện cực vào não để truyền dòng điện nhằm ngăn ngừa co giật động kinh.
Một lĩnh vực đầy triển vọng khác là nghiên cứu của Neuralink – công ty của Elon Musk – trong đó nhiều điện cực được cấy vào các vùng khác nhau trong não để thu thập tín hiệu và điều khiển thiết bị bên ngoài.
“Vì khả năng vận động được điều khiển bởi tín hiệu từ não, nếu một số nhóm cơ bị suy yếu, chúng ta có thể bỏ qua chúng và điều khiển chuyển động trực tiếp từ não”, ông Zhang nói.
“Sẽ có rất nhiều cơ hội để các nhà nghiên cứu y học và sinh học khám phá kiến thức tiên tiến trên nền tảng này. Nó có thể giúp thúc đẩy nghiên cứu thần kinh và y học”, ông nói thêm. “Nhưng thời điểm ứng dụng lâm sàng còn phụ thuộc vào kết quả nghiên cứu ban đầu, và hiện tại chúng tôi chưa thể đưa ra kết luận chắc chắn”.
Các ví dụ phổ biến nhất về điện tử sinh học hiện nay gồm vòng đeo sức khỏe, máy đo đường huyết đeo tay và máy tạo nhịp tim. Trong tương lai, chất bán dẫn 3D này có thể được dùng trong phẫu thuật tim, phần cứng mô phỏng hoạt động của não người hoặc da robot mềm.
“Hãy tưởng tượng một robot sở hữu lớp da mềm mịn, có thể cảm nhận nhiệt độ và phân biệt vật liệu khi chạm vào”, ông Zhang nói. “Ngay cả khi không ‘sống’, khả năng phản hồi điện tử này sẽ cải thiện trải nghiệm tương tác người – máy”.
Ông nói thêm: “Các chất bán dẫn truyền thống được làm từ vật liệu cứng, khô và hai chiều như silicon, vốn hoàn toàn không tương thích với hệ sinh học ba chiều, mềm và ẩm”.
Chất bán dẫn mới “giải quyết xung đột vật liệu bằng cách dùng hydrogel tương thích sinh học thay cho silicon cứng, giúp giảm phản ứng miễn dịch”.
Tuy nhiên, chúng vẫn giữ được đặc tính bán dẫn như khả năng bật – tắt và có thể được xây dựng ở quy mô nano khi cần thiết.
Ông Zhang cho biết lớp điện tử dạng gel dày “giúp chuyển đổi từ giao diện não – máy hai chiều, rời rạc và cứng sang giao diện ba chiều, mềm và bền chắc, cho phép ghi tín hiệu não chính xác hơn, hỗ trợ nghiên cứu bệnh thoái hóa thần kinh”.
Ông nói việc sử dụng chất bán dẫn này trong giao diện não – máy có thể “mang lại mức độ tích hợp mới với hệ sinh học, chẳng hạn như tế bào – điều mà vật liệu vô cơ như silicon và vàng không thể đạt được”.
Theo ông Zhang, hydrogel chứa chủ yếu là nước – lên tới 99% – chỉ 1% còn lại là polymer đóng vai trò bán dẫn. Thành phần này tương đồng với da người – khoảng 70% là nước – khiến thiết bị thoải mái đến mức gần như không nhận thấy.
Với ứng dụng cấy ghép, thiết bị này “có tiềm năng tiến xa trong y học tái tạo, chẳng hạn mô tim nhân tạo để sửa chữa tổn thương tim”, ông Zhang cho biết.
Cơ tim bị viêm có thể tạo sẹo, tăng nguy cơ suy tim hoặc giãn tim khiến tim bơm máu kém hiệu quả. Nhưng mô tim nhân tạo từ chất bán dẫn mềm có thể được cấy vào để phục hồi chức năng tim.
Chất bán dẫn 3D này cũng có thể trở thành nền tảng cho phần cứng điện toán tiết kiệm năng lượng mô phỏng hoạt động não người. Ông Zhang cho biết neuron thật kết nối trong không gian 3D, trong khi transistor trong chip hiện nay chỉ kết nối 2D, hạn chế hiệu suất.
Ông cho biết chất bán dẫn hydrogel 3D có thể giúp theo dõi sức khỏe và kích thích sinh học chính xác hơn bằng cách thu hẹp khoảng cách giữa thiết bị y sinh và hệ sinh học.
“Bước tiếp theo của chúng tôi là tiếp tục nghiên cứu tính chất vật liệu, tối ưu hiệu năng thiết bị và cuối cùng đưa vào ứng dụng lâm sàng các thiết bị y sinh có thể chuyển giao – phục vụ nhu cầu thực tế như theo dõi liên tục, cấy ghép kích thích hay sửa chữa mô chức năng”, ông nói.
