Theo dõi cơ thể thông qua hình xăm tạm thời — Phần 1/2: Công nghệ

Một con tem sinh học, Biostamp, có thể thay thế các thiết bị đo y sinh cồng kềnh ngày nay.

Thiết bị đeo tối tân nhất: John Rogers và nhóm nghiên cứu của mình ở Đại học Illinois đã phát triển cách tạo ra các mạch điện trông giống như một lớp da có khả năng nhận năng lượng không dây và có thể được gắn vào bất cứ bộ phận nào trên cơ thể.

Tôi vặn khoá để khởi động chiếc xe thể thao đa dụng Ford mà tôi thuê để đi đến Đại học Illinois ở Urbana-Champaign và thấy một thông điệp nhấp nháy một lúc trên bảng điều khiển: “Áp suất lốp thấp.” Tôi lờ đi. Tôi có một chiếc ô-tô được sản xuất cách đây 12 năm nên tôi không quen với việc một cái xe biết tự theo dõi tình trạng của nó. Tuy vậy, hoá ra chiếc Ford nhỏ bé này đã không đùa với tôi. Sáng hôm sau tôi thấy một bánh xe bị xẹp.

Các xe hơi hiện đại chứa đầy các cảm biến liên tục giám sát các thông số quan trọng và cho biết, chẳng hạn, khi nào một bộ lọc cần được thay mới hay túi khí có hoạt động hay không. Các thiết bị điện tử tìm ra hỏng hóc sau khi chúng xảy ra hay thậm chí dự báo trước các sự cố sắp xảy đến. Nếu chúng ta có thể theo dõi cơ thể của mình theo cách tương tự thì chẳng phải là một điều tuyệt vời hay sao?

Ý tưởng đó, thật nực cười, lại là điều dẫn tôi đến Illinois. Tôi đến đây để gặp John Rogers, một giáo sư khoa học vật liệu tại Đại học Illinois, người có một tầm nhìn táo bạo: Vào một ngày nào đó, ông tin vậy, tất cả chúng ta sẽ có các cảm biến gắn trên cơ thể để gửi các thông tin đến một điện thoại di động, tương tự như cách các cảm biến trên xe hơi gửi thông tin đến máy tính của xe.

Bên trong Biostamp: Tất cả các biostamp đều có chung những đặc tính như chúng co giãn như da, có các mạch điện mềm dẻo, và có thể nhận năng lượng không dây. Tuy nhiên, chúng có những loại cảm biến khác nhau tuỳ theo chức năng. Cảm biến hình con bướm ở bên trái được thiết kế để theo dõi mức độ tiếp xúc với tia cực tím (UV) mặt trời, cảm biến ở giữa sử dụng các chất nhuộm rất nhạy để phát hiện ra các thành phần hoá học trong mồ hôi, và cảm biến ở bên phải sử dụng mạch điện để đo huyết áp. (Minh hoạ: James Provost)

Thực ra chúng ta đã bước những bước chân đầu tiên theo hướng này. Nhiều người trong chúng ta đang đeo các vòng tay tập thể dục có khả năng theo dõi trạng thái hoạt động và nhịp tim của chúng ta và giả sử rằng chúng ta đã ngủ nếu như ta không di chuyển trong một khoảng thời gian. Nhưng hầu hết các vòng tay này không thực sự hợp thời và hơi vướng víu, vậy nên ngay cả những người tích cực nhất trong chúng ta cũng hay tháo chúng ra. Thêm nữa, những thông tin mà chúng thu thập mặc dù thú vị nhưng không thật sự quan trọng: chúng không thể phát hiện các dấu hiệu cho thấy bạn bị bệnh hay cung cấp cho bác sĩ của bạn bất cứ thông tin gì mà họ cần, và hầu như không thể thay thế cho việc bạn phải đi đến phòng khám.

Nhưng chẳng có lý do gì mà chúng lại không thể làm được như vậy, Rogers nói. Hãy nhớ lại lần cuối cùng bạn đi khám bệnh. Bác sĩ của bạn kiểm tra mạch, nhiệt độ, huyết áp, và có thể là lượng ôxy trong máu. Nếu có bất cứ điều gì bất thường xảy ra, bạn có thể sẽ được giới thiệu đi làm các xét nghiệm khác—có thể là làm điện tâm đồ để kiểm tra tim, làm một xét nghiệm máu để kiểm tra tiểu đường, làm điện đồ cơ nếu cơ của bạn bị yếu, hay thậm chí có thể là một đa ký giấc ngủ ở một phòng xét nghiệm giấc ngủ để kiểm tra tình trạng ngưng thở. Tất cả các xét nghiệm này cần đến các thiết bị chuyên dụng mắc tiền, các nhân viên y tế được đào tạo bài bản, hay các thủ thuật nội soi gây đau đớn.

Các xét nghiệm này—và nhiều cái khác—có thể được thực hiện nhờ các cảm biến nhẹ, bền, và dễ chịu mà bạn có thể đeo trên mình hàng tuần. Đó không phải là một viễn cảnh xa vời: Vào thời điểm bài báo này (29/5/2015 – người dịch), nhiều cảm biến được các thành viên trong nhóm của Rogers phát triển đã đi vào hay sắp đi vào thử nghiệm ở Mĩ và Châu Âu, và những phiên bản thương mại đầu tiên được hy vọng là sẽ có mặt vào cuối năm nay.

Rogers nói rằng những cảm biến này trông giống như da đến nỗi bạn khó có thể nhận ra rằng mình đang đeo chúng—và tôi không phải chờ đến khi ông ta nói vậy mới biết. Tôi đeo một cái ở phía bên trong của cánh tay tôi trong hơn một tuần. Phiên bản này là một bản thử nghiệm và nó chỉ đơn giản phát ra một lời chào khi được kích hoạt bởi một điện thoại Android; các nhà báo chưa có cơ hội tiếp xúc với các thiết bị có cảm biến sinh học.

Mặc dù đơn giản, chiếc cảm biến cũng làm tôi thấy thích thú. Nó bám chặt vào tay tôi nhưng không hề vướng víu khi tôi làm các công việc hàng ngày—tắm, ngủ, hay tập thể dục. Nó cũng làm cho tôi suy nghĩ về cách mà những phiên bản cảm biến mới hơn sẽ làm cho cuộc sống của chúng ta tốt hơn—không phải là sau một thập kỷ nữa mà là chỉ trong vòng vài năm tới, Rogers hứa hẹn.

Nhóm Illinois không phải là nhóm duy nhất đang thử chế tạo các thiết bị điện tử giống như da người. Takao Someya đang hướng dẫn một nhóm ở Đại học Tokyo để phát triển loại da điện tử sử dụng các chất bán dẫn hữu cơ và các ống nano. Zhenan Bao ở Stanford cũng đang làm việc với các chất bán dẫn hữu cơ để tạo ra các tấm phim điện tử có độ nhạy như da người và có thể được dùng trên các tay chân giả. Và các nhà nghiên cứu ở Đại học California ở San Diego đang phát triển các loại mực in cho phép các nhà khoa học vẽ các cảm biến trực tiếp lên da.

Nhưng các cảm biến da của Rogers được cho là sẽ rời khỏi phòng thí nghiệm và leo lên trên da người trước nhất. Năm 2008, Rogers cùng với Roozbeh Ghaffari thành lập một công ty tên là MC10, ở Cambridge, bang Massachusetts, để thương mại hoá các nghiên cứu của nhóm mình về thiết bị điện tử co giãn ứng dụng trong lĩnh vực chăm sóc sức khoẻ. Lúc này MC10 có đến khoảng 60 nhân viên toàn thời gian, nhận hơn 60 tirệu đô-la Mĩ tiền đầu tư từ các quỹ và tập đoàn, và có một sản phẩm trên thị trường: thiết bị Checklight, một cái mũ có khả năng đo chính xác gia tốc khi các vận động viên va chạm. Nó không phải là một miếng dán dạng da nhưng nó có thể uốn cong để phù hợp với hình dáng của một bộ phận cơ thể. (Rogers nằm trong ban điều hành của MC10 và giúp lên kế hoạch nghiên cứu và công nghệ cho công ty cùng với Ghaffari, hiện là giám đốc công nghệ của MC10.)

MC10 bắt đầu chế tạo những miếng dán dạng da mà công ty gọi là Biostamp vào cuối năm 2012. Hầu hết những sản phẩm đầu tiên này được dùng cho nghiên cứu nội bộ hay hợp tác phát triển với các đối tác. MC10 bắt đầu phát triển một thế hệ công nghệ mới vào cuối năm 2014; hầu hết các Biostamp này giờ đây được đưa đến các nhà nghiên cứu y học để thử nghiệm lâm sàng. Các Biostamp để người dùng tự giám sát sức khoẻ cũng đang được phát triển cho các công ty cần chúng cho mục đích riêng của mình. Chẳng hạn như một công ty mĩ phẩm có thể bán kèm một Biostamp có chức năng đo ánh sáng mặt trời cùng với kem chống nắng, hay một công ty dược phẩm có thể cung cấp các Biostamp có khả năng theo dõi chuyển động và thân nhiệt cùng với gói thuốc.

Một Biostamp cơ bản là một miếng dán có kích thước cỡ bằng đồng 10 xu của Anh hay đồng 25 xu của Mĩ. Nó trông giống như một hình xăm tạm thời mà trẻ con dán trong tiệc sinh nhật, nhưng do nó được thiết kế để có đặc tính cơ học giống như da. Người đeo hầu như không cảm thấy rằng nó đã được dán lên cơ thể mình. Một Biostamp có thể có hàng trăm hay hàng ngàn transistor, cũng như điện trở, LED, và một ăng-ten vô tuyến. Nó không thấm nước và không gây bức bí cho da, và có giá chỉ vài chục xu khi được sản xuất với số lượng lớn. Nó có thể được đeo trong khoảng 1 tuần trước khi quá trình thay các tế bào da làm cho nó bị bong ra, giống như một mảng da bị cháy nắng đầu mùa.

Một Biostamp bao gồm các mạch điện có khả năng co giãn được tạo trên một lớp cao su cực mỏng. Để tạo những mạch điện này, Rogers và các cộng sự ở Illinois bắt đầu từ việc tạo ra các transistor, đi-ốt, tụ điện, và các thành phần điện tử khác trên các tấm nền vật liệu bán dẫn thông dụng. Họ thường dùng silicon nhưng cũng có thể dùng gallium arsenide hay gallium nitride. Đây không phải là những tấm nền bán dẫn thông thường; chúng giống như một cái bánh Oreo làm từ các tấm nền bán dẫn. Chúng có một lớp vật liệu bán dẫn mỏng bên trên, một lớp đáy cùng loại vật liệu nhưng dày hơn có tác dụng như một tấm đỡ trong quá trình sản xuất, và một lớp vật liệu khác—mà về sau nó sẽ bị loại bỏ đi—nằm ở giữa. Trong trường hợp tấm nền là silicon thì lớp ở giữa này là silicon-dioxde. Sau khi việc chế tạo thiết bị hoàn tất, một hoá chất sẽ ăn mòn đi lớp chính giữa để giải phóng tấm mỏng bên trên.

Sau đó một miếng cao su silicone mềm được ép lên trên tấm nền. Những chỗ lồi lên của miếng cao su silicone sẽ dính vào những thành phần điện tử được chọn giống như kiểu một con dấu cao su thấm mực từ một hộp mực đóng dấu. Sau khi lấy được các thành phần điện tử, miếng silicone đặt chúng lên một tấm nền tạm thời, thường là một đĩa kính phủ nhựa. Đĩa kính này sau đó sẽ được đưa qua giai đoạn quang khắc (photolithography) thông thường để liên kết các thành phần điện tử bởi các kết nối bằng đồng có dạng như các lò xo xoắn để chúng có thể co giãn được.

Bước kế tiếp là chuyển mạch điện đã được kết nối với nhau từ tấm kính phủ nhựa lên một màng cao su mỏng được gắn trên một lớp nhựa mỏng nhờ lớp keo. Đó sẽ là sản phẩm. Để thực hiện điều này, một cái máy sẽ đưa lớp màng cao su đến tiếp xúc với mạch điện lúc này còn bám trên tấm kính phủ nhựa. Một dung dịch hoá chất sẽ hoà tan lớp nhựa nằm giữa mạch điện và tấm kính và do đó mạch điện sẽ bám vào lớp cao su. Bước cuối cùng, khi miếng Biostamp đã đến tay người sử dụng, là bóc lớp nhựa đi để làm lộ ra lớp keo rồi dán phần mạch điện được bao phủ bởi lớp cao su lên da nhờ lớp keo đó.

Trong nhiều Biostamp, tất cả các mạch điện tử được tạo ra bằng cách này. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, một Biostamp được thiết kế có một bộ vi xử lý không được đóng gói và được các nhà nghiên cứu làm mỏng xuống còn khoảng từ 5 đến 10 micro-mét. Một lớp nhựa tổng hợp dày khoảng vài micro-mét được phủ lên trên mạch điện để chống nước. Dù vậy, vào lúc này, hầu hết các Biostamp đều không có một bộ vi xử lý đầy đủ. Gần như tất cả các Biostamp đang được thử nghiệm chỉ đơn giản thu thập dữ liệu và truyền đi; việc phân tích được thực hiện ở nơi khác, thường là trên điện thoại thông minh hay máy tính bảng.

Biostamp nạp năng lượng từ tín hiệu liên lạc trường gần (near-field communication, NFC), thường là từ điện thoại di động của người sử dụng. Nó cũng gửi và nhận dữ liệu theo cùng cách thức. NFC, giao thức gửi dữ liệu ở tần số 13.56 MHz, là tính năng mà hầu hết các điện thoại thông minh hiện tại đều có và được dùng trong các phương thức thanh toán không dây. Hiện tại Biostamp chỉ hoạt động với Android nhưng phần cứng của nó tương thích với công nghệ NFC trên các điện thoại iPhone đời mới.

Các loại Biostamp: những hình dán này có chứa nhiều loại thiết bị điện tử cực mỏng không được đóng gói, các mạch điện dẻo, và các thuốc nhuộm có độ nhạy cao. Chúng thu năng lượng cũng như giao tiếp không dây và hỗ trợ nhiều loại cảm biến khác nhau cho phép giám sát nhiều hoạt động của cơ thể.

Hình dán chuyển năng lượng RF nhận được từ một ăng-ten thành năng lượng điện nhờ một cuộn cảm. Một Biostamp có thể tạo ra vài chục milli-wat điện khi nó nằm trong khoảng 1m từ một điện thoại đang phát tín hiệu NFC. Để thu thập năng lượng từ khoảng cách xa hơn, một Biostamp có thể được thiết kế để thu nhận tín hiệu không dây trên tần số từ 1 đến 2.5 GHz từ một bộ phát cách xa đến vài mét.

Các phiên bản hiện tại với hình dáng giống như hình xăm không có khả năng lưu trữ năng lượng, mặc dù nhóm của Rogers và MC10 đã thiết kế và thử nghiệm các loại pin có khả năng kéo dãn được và các siêu tụ điện (supercapacitor). Nhưng khi ở trong một bệnh viện, với một bộ phát NFC ngay bên dưới giường bệnh hay một bộ phát RF đặt ở góc phòng và có tầm phát xa hơn, Biostamp có thể hoạt động liên tục và vô thời hạn.

Hiện tại, Rogers và sinh viên của mình đang kiểm tra các cảm biến co giãn được có chức năng đo thân nhiệt, giám sát mức độ tiếp xúc với tia cực tím, và kiểm tra mạch cũng như mức ô-xy trong máu. Họ cũng đang phát triển các cảm biến có thể theo dõi sự thay đổi huyết áp, phân tích mồ hôi, và thu nhận tín hiệu từ não hay tim để dùng trong điện não đồ hay điện tâm đồ. Tất cả những cảm biến này, theo Rogers, được thiết kể để thực hiện các phép đo đạc với độ chính xác đủ để sử dụng trong y tế—một tiêu chuẩn cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn của một thiết bị đeo trên người mà ta thường thấy.

Để đạt được tiêu chuẩn đó trong một thiết bị mỏng và co giãn được, Rogers và nhóm của mình phải suy nghĩ lại về các phương pháp đo đạc trong y tế. Chẳng hạn như đo huyết áp: việc này thường được thực hiện bằng cách đặt một túi bơm xung quanh cánh tay của bệnh nhân rồi bơm phồng túi lên cho đến khi nó chặn sự lưu thông của máu lại. Sau đó túi bơm được xả hơi dần dần cho đến khi máu bắt đầu lưu thông trở lại trong các mạch máu trong cánh tay; đó là khi đo huyết áp tâm thu—tức là huyến áp khi tim co lại. Túi bơm được tiếp tục xả cho đến khi bác sĩ không còn nghe được âm thanh từ sự lưu thông của máu. Đó là khi huyết áp tâm trương—huyết áp khi các cơ tim giãn ra—được đo giữa các lần đập.

Một Biostamp bé xíu không thể chặn sự lưu thông của máu được. Tuy nhiên, nó có thể đo nhịp tim ở hai điểm nằm cách nhau chỉ cỡ 1cm. Với thông tin này, một điện thoại thông minh có thể tính toán được một thông số sinh lý được gọi là vận tốc sóng mạch. Thông số này thay đổi khi huyết áp thay đổi. Vậy là các nghiên cứu viên Tony Banks, SeungMin Lee, và Matt Pharr trong nhóm của Rogers phát triển hai loại Biostamp để đo nhịp tim. Một loại sử dụng ánh sáng; nó lần lượt chiếu ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại từ một đèn LED và sử dụng một bộ cảm biến ánh sáng (photodetector) để thu ánh sáng phản xạ từ làn da bên dưới Biostamp. Do máu đã bị khử ô-xy thu nhiều ánh sáng đỏ hơn còn máu chứa ô-xy thu nhiều ánh sáng hồng ngoại hơn, sự thay đổi của các mức ánh sáng này tạo ra một dạng sóng mô tả nhịp tim. Về cơ bản đó là cách các vòng đeo thể thao mới nhất phát hiện nhịp tim. Tuy nhiên Biostamp có thể thu được một tín hiệu ổn định hơn do lớp da bên dưới không bị dịch chuyển. Loại máy đo nhịp tim thứ hai đang được phát triển thì sử dụng các cảm biến dựa trên các vật liệu áp điện (piezoelectric) để theo dõi sự co giãn của miếng dán khi nó bị tác động bởi dòng máu lưu thông trong các mạch máu bên dưới. Với cơ chế hoạt động này, mức giãn càng lớn thì tương ứng với huyết áp càng cao.

Trong cả hai cách đo, nhịp tim được chuyển thành vận tốc sóng mạch và cho người đeo biết huyết áp thay đổi như thế nào nhưng không cho biết số đo huyết áp nền. Tuy vậy đối với các bệnh nhân cần theo dõi huyết áp chặt chẽ thì việc chỉ đơn giản theo dõi sự thay đổi là việc sống còn. Thay vì phải gặp y tá hằng ngày để đo huyết áp hoặc phải sử dụng các thiết bị đo tại gia cồng kềnh thì cứ mỗi một hay hai tuần bệnh nhân chỉ cần dán một Biostamp mới, kiểm tra hoạt động của nó, rồi chỉ cần quét miếng dán bằng một chiếc điện thoại để đọc các thông tin và có thể tự động gửi các thông tin này đến cho bác sĩ.

Một kiểu Biostamp khác rất có triển vọng là loại sẽ theo dõi mồ hôi. Daeshik Kang và Aheyon Koh, nghiên cứu viên sau tiến sĩ (postdoc) trong nhóm của Rogers và đang làm việc với Banks, chuyên viên nghiên cứu, đã thiết kế Biostamp với các kênh dẫn chất lỏng siêu nhỏ (microfluidic channel) để hút mồ hôi theo một đường dẫn đã được chọn lọc. Bên trong ống, các chất nhuộm nhạy với các thành phần hoá học sẽ đổi màu khi mồ hôi tiếp xúc với chúng, còn các chất nhuộm khác trên miếng dán thì thay đổi màu khi tiếp xúc với glucose, axit lac-tic, clo, và xút. Khi được quét bằng một điện thoại thông mình, các mạch điện trên miếng dán kích hoạt một ứng dụng trên điện thoại để phân tích sự thay đổi màu sắc và đưa ra các khuyến cáo chẳng hạn như “Đến lúc uống nước,” hay, đối với một phụ nữ đang được theo dõi tiểu đường khi mang thai thì có thể là “Đến lúc khám bác sĩ.” Các nhà nghiên cứu ở MC10, hợp tác với nhóm của Rogers, cũng đang xem xét các cách khác để sử dụng dữ liệu từ mồ hôi trong theo dõi sức khoẻ tim mạch.

Những Biostamp nhạy với các thành phần hoá học này, không giống như các thiết bị điện tử đeo người có chức năng theo dõi mồ hôi được phát triển ở những nơi khác, không thể tái sử dụng được; nghĩa là sau khi kết thúc buổi tập, cuộc đua, hay buổi kiểm tra sức bền, khi mà bạn không còn tiết ra mồ hôi nữa, bạn không thể thiết lập lại miếng dán như ban đầu và do đó bạn phải bỏ nó đi. Tuy vậy, do chúng quá rẻ nên bạn chẳng phải bận tâm gì.

Rogers tin rằng Biostamp sẽ trở thành một thiết bị chính trong bệnh viện. Trong một thử nghiệm bắt đầu từ đầu năm nay ở một trung tâm chăm sóc đặc biệt dành cho trẻ sơ sinh ở Bệnh viện Carle Foundation (Urbana, bang Illinois), các bác sĩ dùng Biostamp để theo dõi thân nhiệt và các tín hiệu quan trọng khác của các em bé. Họ dán Biostamp lên một tay, một chân, trán, và ngực của mỗi trẻ sơ sinh, và dùng một ăng-ten NFC gắn dưới mỗi lồng nuôi để cấp năng lượng cho các thiết bị.

…

(Phần 2: Ứng dụng)

• Nguyên bản tiếng Anh: “A Temporary Tattoo That Senses Through Your Skin,” Tekla S. Perry, IEEE Spectrum Magazine, May 29th, 2015.
• Người dịch: Tạ Minh Chiến
• Biên tập: Hồ Quang Tây