Các kỹ sư của Viện Công nghệ Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology - MIT) ở Mỹ và các nhà nghiên cứu Hàn Quốc đã phát triển một loại da điện tử không thấm mồ hôi.
Đây là một miếng dán cảm biến, có thể theo dõi sức khỏe của một người mà không bị hỏng hay bong tróc.
Bước tiến để có làn da thông minh
Sơ đồ minh họa về da điện tử đục lỗ.
Miếng dán có các ống dẫn mồ hôi nhân tạo, tương tự như lỗ chân lông trên da người. Các lỗ trên miếng dán được tạo ra tương tự như nghệ thuật cắt giấy kirigami của Nhật Bản. Thiết kế này bảo đảm mồ hôi có thể thoát ra ngoài qua miếng dán, ngăn ngừa kích ứng da và làm hỏng các cảm biến gắn vào đó.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances này là một bước tiến để có được làn da thông minh tồn tại lâu dài, giúp theo dõi các chỉ số hàng ngày hoặc sự tiến triển của bệnh ung thư da và các tình trạng khác.
Phó Giáo sư kỹ thuật cơ khí Jeeh Kim tại MIT cho biết: “Với miếng dán da thoáng khí, phù hợp này, sẽ không có bất kỳ sự tích tụ mồ hôi, thông tin bị sai lệch hay bị bong khỏi da người. Chúng ta có thể cung cấp các cảm biến có thể đeo được nhằm mục đích giám sát liên tục trong một thời gian dài”.
Ngoài ông Kim, các đồng tác giả của nghiên cứu trên còn có nhà nghiên cứu sau tiến sĩ như Hanwool Yeon, các nhà nghiên cứu tại MIT kết hợp với các cộng tác viên từ tập đoàn mỹ phẩm Amorepacific và các tổ chức khác trên khắp Hàn Quốc.
Tuy nhiên, trước khi đạt đợc kết quả trên, các nhà khoa học đã gặp phải vướng mắc.
Rào cản khó khăn
Nhóm của ông Kim chuyên về chế tạo màng bán dẫn dẻo. Họ đi tiên phong trong kỹ thuật bao gồm phát triển các màng bán dẫn chất lượng cao, siêu mỏng. Gần đây, công việc của họ thu hút sự chú ý của công ty mỹ phẩm Amorepacific vốn đang quan tâm đến việc tạo ra loại băng dán mỏng nhằm theo dõi liên tục những thay đổi trên da.
Công ty này đã hợp tác với ông Kim để biến các tấm phim bán dẫn dẻo của nhóm thành một thứ có thể dán lên da trong một thời gian dài.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm da điện tử bằng cách dán nó vào cổ tay và trán của một tình nguyện viên trong một tuần. Tình nguyện viên mang nó trong các hoạt động gây toát mồ hôi như chạy trên máy tập trong 30 phút và ăn một bữa ăn nhiều đồ cay.
Tuy nhiên, nhóm đã sớm vấp phải rào cản mà các thiết kế về da điện tử khác vẫn chưa giải quyết được, đó là mồ hôi. Hầu hết các thiết kế thử nghiệm đều gắn các cảm biến vào các vật liệu dính dựa trên polymer và không thoáng khí lắm.
Trong khi các thiết kế khác làm từ sợi nano dệt, có thể để không khí lọt qua nhưng lại không thấm mồ hôi. Ông Kim nhận ra rằng, một làn da điện tử muốn hoạt động lâu dài phải thấm cả hơi nước và mồ hôi.
“Mồ hôi có thể tích tụ giữa da điện tử và da của bạn, điều này có thể gây tổn thương da và ảnh hưởng tới hoạt động của cảm biến. Vì vậy, chúng tôi đã cố gắng giải quyết 2 vấn đề này cùng một lúc bằng cách cho phép mồ hôi thấm qua da điện tử”, ông Kim cho hay.
Các kỹ sư đã phát triển một loại “da điện tử” không thấm mồ hôi - một miếng dán dính có cảm biến, giúp theo dõi sức khỏe của một người.
Giải pháp từ những vết cắt
Để lấy cảm hứng thiết kế, các nhà nghiên cứu đã xem xét lỗ chân lông thoát mồ hôi của người. Họ phát hiện ra đường kính trung bình lỗ chân lông ở người khoảng 100 micron và nó được phân bố ngẫu nhiên trên da. Họ đã thử một số mô phỏng ban đầu để xem có thể bao phủ và sắp xếp các lỗ chân lông nhân tạo như thế nào để không làm tắc lỗ chân lông của da người.
“Ý tưởng đơn giản của chúng tôi là, nếu tạo các ống dẫn mồ hôi nhân tạo trong da điện tử và tạo ra các đường dẫn mồ hôi có khả năng thẩm thấu cao, có thể dùng da nhân tạo này một cách lâu dài với chức năng giám sát”, ông Yeon giải thích.
Họ bắt đầu với một mô hình với các các lỗ, mỗi lỗ có kích thước bằng lỗ mồ hôi thực tế của người. Họ phát hiện ra nếu các lỗ chân lông được đặt gần nhau, ở khoảng cách nhỏ hơn đường kính lỗ chân lông trung bình, toàn bộ mô hình sẽ thấm mồ hôi hiệu quả.
Tuy nhiên họ cũng phát hiện ra nếu mô hình lỗ này được khắc qua một lớp phim mỏng thì lớp phim này không thể co giãn nhiều được và sẽ bị bong dễ dàng khi dán vào da người.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra họ có thể tăng cường độ bền và tính linh hoạt của mẫu bằng cách cắt các rãnh mỏng giữa các lỗ, tạo ra mô hình quả tạ lặp lại thay vì chỉ có các lỗ đơn giản. Mô hình này khi được gắn vào vật liệu, tạo ra một hiệu ứng giống như kirigami có thể co giãn được.
“Nếu bạn quấn một mảnh giấy lên một qủa bóng, nó sẽ không phù hợp, nhưng nếu bạn cắt một mẫu kirigami trên mảnh giấy đó, nó có thể phù hợp. Vì vậy, chúng tôi nghĩ, tại sao không nối các lỗ bằng một vết cắt để có sự phù hợp giống như nghệ thuật cắt giấy kirigami trên da, đồng thời có thể thấm được mồ hôi?” – nhà nghiên cứu Yeon nói.
Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một lớp da điện tử nhiều chức năng, mỗi lớp họ đều khắc hoa văn hình quả tạ. Các lớp của da nhân tạo này bao gồm một mảng cảm biến bán dẫn siêu mỏng để theo dõi nhiệt độ, sự cấp nước cho cơ thể, mức tiếp xúc với tia cực tím của cơ thể và có sức căng cơ học. Mảng cảm biến được kẹp giữa 2 màng bảo vệ mỏng, tất cả đều phủ một lớp keo polymer dính.
“Da điện tử này giống như da người, có thể co giãn, mềm mại và mồ hôi có thể thấm qua da” – ông Yeon cho hay.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm da điện tử trên bằng cách dán nó vào cổ tay của một tình nguyện viên trong hơn một tuần. Trong suốt giai đoạn này, da điện tử đó đã đo nhiệt độ, đo mức độ cấp nước cho cơ thể, đo mức độ tiếp xúc với tia cực tím và đo mạch của anh ta một cách đáng tin cậy ngay cả trong các hoạt động tiết nhiều mồ hôi như chạy bộ và ăn một bữa ăn cay.
Thiết kế của nhóm cũng phù hợp với da người khi được dán vào. Tình nguyện viên được yêu cầu cau mày liên tục trong khi đổ nhiều mồ hôi. Trong khi đó các thiết kế da điện tử khác đều thiếu khả năng thấm mồ hôi và dễ dàng bong khỏi da.
Ông Kim có kế hoạch cải thiện sức mạnh và độ bền của thiết kế trên. Mặc dù có khả năng thấm mồ hôi và có tính phù hợp cao, nhưng do có hoa văn kirigami kết hợp với dạng siêu mỏng nên nó khá mỏng manh khi có ma sát. Do đó, các tình nguyện viên phải mang thêm một lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ nó trong các hoạt động như tắm dưới vòi hoa sen.