Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Cảm biến nhạy và bền: hướng phát triển cho lĩnh vực dệt may thông minh (20/11/2020)

Các nhà khoa học đang tiến hành nghiên cứu để đưa ra những cách thức ứng dụng loại cảm biến này trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ mô phỏng thực tế ảo, quần áo thể thao cho đến chẩn đoán lâm sàng các bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Parkinson.

Hãy nghĩ đến chiếc áo thun yêu thích của bạn, chiếc áo bạn đã mặc hàng trăm lần, cùng những hành vi "ngược đãi" mà nó đã phải trải qua. Bạn đã giặt nó nhiều lần đến mức bạn không thể nhớ xuể, bạn dây bẩn lên nó, kéo căng nó, vò nó, thậm chí đã suýt làm cháy nó.

Nếu trong tương lai có một loại vải dệt thông minh nào có thể ‘sống sót’ sau khi trải qua những hành vi tàn bạo kể trên, chắc hẳn những thành phần trong chúng sẽ cần phải có khả năng tự phục hồi.

Giờ đây, các nhà khoa học thuộc Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson và Viện Kỹ thuật Lấy cảm hứng từ Sinh học Wyss đã phát triển một cảm biến siêu nhạy với khả năng đàn hồi tốt, có thể dùng để gắn vào các loại vải dệt và các hệ thống robot mềm (soft robotic systems).

Các nhà khoa học mới đây đã công bố nghiên cứu trên tạp chí Nature.

Cận cảnh các sợi carbon dẫn điện của cảm biến. Các sợi được kẹp giữa hai lớp nền đàn hồi. Độ dẫn điện tổng thể của cảm biến thay đổi khi các cạnh của sợi carbon tiếp xúc với nhau.

“Các loại thiết bị đo độ biến dạng hiện nay dù nhạy nhưng mặt khác cũng dễ hỏng”, Oluwaseun Araromi, Nghiên cứu viên về Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Cơ khí tại SEAS và Viện Wyss, đồng thời là tác giả thứ nhất của bài báo cho biết. “Hai đặc điểm bền và nhạy thường không đi cùng nhau - các cảm biến có độ nhạy cao thì thường có phần ‘mỏng manh’, nhưng các cảm biến bền thì thường không nhạy. Vì vậy, chúng tôi cần tìm ra một cơ chế hội tụ cả hai thuộc tính này.”

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại cảm biến có hình dạng và cơ chế hoạt động giống với lò xo Slinky – một món đồ chơi có hình xoắn ốc hoặc hình cuộn. Slinky nổi tiếng vì có thể "bước" xuống cầu thang do các cuộn căng ra và rút lại trong khi lực hấp dẫn kéo nó xuống mỗi nấc

“Slinky là một hình trụ rắn bằng kim loại cứng, nhưng nếu ta tạo hình chúng dưới dạng xoắn ốc, chúng sẽ có thể co giãn được”, Araromi cho biết. “Về cơ bản, thiết bị cảm ứng của chúng tôi cũng theo nguyên lý tương tự. Chúng tôi tạo ra một khối vật liệu cứng, trong trường hợp này là sợi carbon, và thiết kế sao cho vật liệu có thể co giãn được.”

Mô hình này có dạng một đường uốn khúc ngoằn ngoèo, hình dạng của nó lên xuống hệt như một con rắn đang bò. Hai chất nền đàn hồi đã được nung từ trước sẽ kẹp hai bên các sợi carbon dẫn điện.

Độ dẫn điện của cảm biến thay đổi khi các cạnh của sợi carbon tiếp xúc với nhau, cũng giống như cách mà các đường riêng lẻ của một bộ cảm biến tiếp xúc với nhau khi ta kéo cả hai đầu. Quá trình này xảy ra ngay cả khi chỉ dùng một lực căng rất nhỏ, và đó chính là chìa khóa giúp cảm biến có độ nhạy cao hơn.

Không giống như các cảm biến co giãn có độ nhạy cao hiện nay – được làm từ các vật liệu như silicon hoặc dây nano vàng, cảm biến này không yêu cầu kỹ thuật sản xuất đặc biệt hoặc thậm chí là phòng sạch. Ta có thể tạo ra nó từ bất cứ vật liệu dẫn điệu nào.

Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra khả năng phục hồi của cảm biến bằng cách dùng dao mổ đâm, dùng búa đập vào nó, hay thậm chí là chạy ô tô cán qua, ném vào máy giặt mười lần. Sau mỗi lần thử nghiệm, cảm biến vẫn không hề hấn gì. Để chứng minh độ nhạy của nó, các nhà nghiên cứu còn gắn cảm biến vào ống tay bằng vải và yêu cầu một người thực hiện các hành động khác nhau như nắm tay, mở lòng bàn tay và véo. Các cảm biến đã phát hiện ra những thay đổi nhỏ trong cơ bắp tay trước của đối tượng thông qua lớp vải và một thuận toán học máy có thể phân loại thành công những cử chỉ này.

Moritz Graule, một sinh viên đã tốt nghiệp tại SEAS, mang một ống tay bằng vải có gắn các cảm biến. Các cảm biến phát hiện những thay đổi nhỏ trong cơ bắp tay của Graule thông qua lớp vải. Có thể ứng dụng ống tay áo như vậy trong nhiều lĩnh vực, từ mô phỏng thực tế ảo, quần áo thể thao, cho đến chẩn đoán lâm sàng các bệnh thoái hóa thần kinh như Bệnh Parkinson.

“Những đặc điểm như khả năng phục hồi và độ bền cơ học là những yếu tố để ứng dụng cảm biến này vào trong các lĩnh vực khác nhau”, Araromi cho biết.

Một ống tay áo gắn cảm biến sẽ có thể đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ mô phỏng thực tế ảo, quần áo thể thao cho đến chẩn đoán lâm sàng các bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Parkinson.

Văn phòng Phát triển Công nghệ của Harvard đã nộp đơn yêu cầu bảo độc quyền hộ sáng chế liên quan đến dự án này. “Độ nhạy cao và khả năng phục hồi là những ưu điểm của loại cảm biến này”, Robert Wood, Giáo sư Kỹ thuật và Khoa học ứng dụng Charles River tại SEAS và là tác giả cao cấp của nghiên cứu, cho biết. “Tuy nhiên, ở một khía cạnh khác, điều tạo nên sự khác biệt của công nghệ này là chi phí cho vật liệu cấu thành và lắp ráp khá phải chăng. Điều này hy vọng sẽ giúp giảm bớt các rào cản để đưa công nghệ phổ biến rộng rãi trong lĩnh vực dệt may thông minh, và xa hơn thế nữa.”

“Cảm biến khi tích hợp vào quần áo sẽ có sự tiếp xúc gần gũi với cơ thể người, chúng tôi hiện đang tìm hiểu những hướng ứng dụng mà đặc điểm này mang lại, chẳng hạn như thực hiện các phép đo cơ sinh học và sinh lý học trong suốt một ngày vận động của một người – điều mà các phương pháp hiện tại chưa thể thực hiện được”, Conor Walsh, Giáo sư Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng tại SEAS và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết.

Nguồn: Anh Thư/tiasang.com.vn

Ngày cập nhật: 19/11/2020

                                             https://tiasang.com.vn/-doi-moi-sang-tao/Cam-bien-nhay-va-ben-huong-phat-trien-cho-linh-vuc-det-may-thong-minh-26662