Nhà nghiên cứu NUS lấy cảm hứng từ thiên nhiên để phát triển ‘eAir’ – một cảm biến áp suất dựa trên khí đàn hồi có thể cách mạng hóa cách phát hiện áp lực
SINGAPORE, Aug. 18, 2023 — Các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát triển một cảm biến áp suất mới, gọi là ‘eAir’. Công nghệ này có thể được áp dụng cho phẫu thuật ít xâm lấn và cảm biến cấy ghép bằng cách giải quyết trực tiếp những thách thức liên quan đến cảm biến áp suất hiện có.
Cảm biến eAir hứa hẹn tăng độ chính xác và độ tin cậy trong các ứng dụng y tế. Nó có thể biến đổi phẫu thuật nội soi bằng cách cho phép phản hồi cảm giác cho bác sĩ phẫu thuật, cho phép thao tác mô bệnh nhân chính xác hơn. Bên cạnh đó, cảm biến có thể cải thiện trải nghiệm bệnh nhân bằng cách cung cấp phương tiện theo dõi áp lực não (ICP) ít xâm lấn hơn, một chỉ số sức khỏe quan trọng đối với những người mắc bệnh thần kinh.
Dưới sự lãnh đạo của Phó Giáo sư Benjamin TEE thuộc Trường Thiết kế và Kỹ thuật NUS và Viện Đổi mới Y học và Công nghệ Sức khỏe NUS, kết quả nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature Materials vào ngày 17 tháng 8 năm 2023.
Từ lá sen đến phòng thí nghiệm: Khai thác thiết kế của thiên nhiên
Cảm biến áp suất thông thường thường gặp khó khăn về độ chính xác. Chúng khó trả lời đồng nhất khi áp dụng cùng một áp lực lặp lại và có thể bỏ qua những thay đổi nhỏ về áp suất – dẫn đến sai số đáng kể. Chúng cũng thường được làm từ vật liệu cứng và không đàn hồi cơ học.
Để giải quyết những thách thức trong cảm biến áp suất, nhóm NUS đã lấy cảm hứng từ hiện tượng được gọi là “hiệu ứng lá sen” – một hiện tượng tự nhiên độc đáo mà những giọt nước dễ dàng lăn trên bề mặt lá sen nhờ cấu trúc siêu nhỏ chống nước. Noi theo hiệu ứng này, nhóm đã phát triển một cảm biến áp suất được thiết kế nhằm cải thiện đáng kể hiệu suất cảm biến.
“Cảm biến tương tự như một ‘công tơ đo dung tích vi mô’, có thể phát hiện những thay đổi áp suất nhỏ – phản ánh độ nhạy cảm của lá sen đối với sự chạm nhẹ của giọt nước,” Phó Giáo sư Tee giải thích.
Sử dụng thiết kế “lò xo khí”, cảm biến eAir bao gồm một lớp khí bị mắc kẹt, tạo thành một giao diện khí-chất lỏng khi tiếp xúc với dung dịch của cảm biến. Khi áp lực bên ngoài tăng lên, lớp khí này bị nén lại. Một xử lý bề mặt khiến giao diện di chuyển một cách trơn tru trong cảm biến, gây ra sự thay đổi tín hiệu điện mà phản ánh chính xác áp lực được áp dụng. Sử dụng thiết kế này, khả năng chống nước tự nhiên của lá sen đã được tưởng tượng lại thành một công cụ cảm biến áp suất đơn giản nhưng tinh tế.
Các thiết bị eAir có thể được làm tương đối nhỏ – chỉ vài milimet – và điều này tương đương với cảm biến áp suất hiện có.
Tiềm năng cách mạng cho phẫu thuật ít xâm lấn
Ứng dụng thực tế của công nghệ mới này rất rộng. Ví dụ, trong phẫu thuật nội soi khi phản hồi cảm giác chính xác là điều tối cần thiết, việc tích hợp cảm biến eAir có thể dẫn đến thủ thuật an toàn hơn, cuối cùng cải thiện kết quả điều trị và tiên lượng cho bệnh nhân.
“Khi bác sĩ thực hiện phẫu thuật ít xâm lấn như nội soi hoặc phẫu thuật robot, chúng tôi có thể điều khiển các móc cầm, nhưng chúng tôi không thể cảm nhận được các đầu dụng cụ đang cầm gì. Do đó, bác sĩ phải dựa vào thị giác và kinh nghiệm nhiều năm để đưa ra quyết định về thông tin quan trọng mà giác quan cảm giác có thể cung cấp,” Giáo sư KAAN Hung Leng giải thích, là một chuyên gia tại Bộ phận Phẫu thuật Tổng quát của Bệnh viện Đại học Quốc gia.
Giáo sư Kaan, người không tham gia dự án nghiên cứu này, bổ sung: “Phản hồi cảm giác thông minh cung cấp bởi cảm biến áp suất có tiềm năng cách mạng hóa lĩnh vực phẫu thuật ít xâm lấn. Ví dụ, thông tin về mô đang cầm có cứng, chắc hay mềm mại cung cấp thêm nguồn thông tin quan trọng giúp bác sĩ đưa ra quyết định kịp thời trong phẫu thuật. Cuối cùng, những lợi ích này trong phẫu thuật có thể chuyển thành kết quả phẫu thuật và bệnh nhân tốt hơn.”
Ngoài ra, eAir mang lại cơ hội cải thiện quá trình theo dõi áp lực não – áp lực bên trong hộp sọ có thể ảnh hưởng đến sức khỏe não. Tương tự, bằng cách cung cấp giải pháp ít xâm lấn, công nghệ này có thể biến đổi trải nghiệm bệnh nhân trong quản lý các tình trạng liên quan đến não, từ đau đầu nặng đến tổn thương não tiềm tàng.
Mở ra tương lai của cảm biến thông minh
Nhóm NUS đang đặt nền móng cho hợp tác với các bên quan trọng trong lĩnh vực y tế. Đồng thời, họ đã nộp đơn cấp bằng sáng chế cho công nghệ cảm biến eAir tại Singapore và hướng tới chuyển giao công nghệ cho ứng dụng thực tế.
“Chúng tôi muốn tiếp tục hoàn thiện cảm biến eAir để nâng cao hiệu suất thông qua khám phá các vật liệu và thiết kế cấu trúc vi mô mới,” Phó Giáo sư Tee chia sẻ.
Nhóm dự đoán công nghệ eAir sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực có môi trường lỏng.