Một nhóm kỹ sư tại đại học Stanford chứng minh rằng có thể truyền năng lượng không dây tần số cao vào một thiết bị trong cơ thể người. Hình trên chụp lại quá trình truyền năng lượng đến một thiết bị cấy trong tim ở tần số 200MHz (trái) và 1,7GHz (phải). Màu đỏ thể hiện năng lượng truyền vào lớn, xanh ít hơn. Lưu ý sự tập trung năng lượng cao trong vùng nhỏ ở hình bên phải.
Có lẽ những năm sắp tới sẽ là những năm của sạc không dây. Không liên quan nhiều đến công nghệ Qi hay chiếc smartphone Nokia Lumia 920 có thể sạc không dây vừa giới thiệu, mới đây, một nhóm các kỹ sư tại đại học Stanford (Hoa Kỳ) đã chứng tỏ khả năng truyền năng lượng không dây bằng sóng vô tuyến từ bên ngoài vào cho một thiết bị y tế rất nhỏ bán kính khoảng 0,8mm được cấy ghép trong tim người bệnh. Theo nghiên cứu, độ sâu thâm nhập của năng lượng không dây có thể lên đến 5cm bên dưới lồng ngực cơ thể.
Được xuất bản trên tạp chí Applied Physics Letters bởi Ada Poon, một giáo sư về kỹ thuật điện tại Stanford, cùng với hai nghiên cứu sinh của mình, nghiên cứu hứa hẹn mở ra một hướng mới trong cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế cấy ghép trong cơ thể với ưu điểm vượt trội so với phương pháp dùng pin truyền thống cả về kích thước thiết bị, mức độ đơn giản, và sự thuận tiện. Nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng những thiết bị được ứng dụng có thể sẽ bao gồm cả các thiết bị nội soi có thể nuốt (pillcam), các máy điều hòa nhịp tim (pacemaker) hoạt động trọn đời, hay các bộ kích thích não (brain stimulator).
Cuộc cách mạng về thiết bị y tế cấy ghép
Các thiết bị y tế cấy ghép trong cơ thể người đã cách mạng hóa y học. Hàng trăm ngàn máy điều hòa nhịp tim, hàng triệu thiết bị y tế đặt trong ốc tai, hay rất nhiều máy bơm dược phẩm cấy ghép (implantable drug pump) đang hàng ngày hàng giờ giúp con người sống một cuộc sống bình thường. Tuy nhiên, thế hệ các thiết bị y tế hiện nay gặp một số nhược điểm cố hữu rất khó để thay đổi.
Một thiết bị cần năng lượng để hoạt động và pin thường thực hiện nhiệm vụ đó. Bạn có biết trong một thiết bị như máy điều hòa nhịp tim thì riêng pin đã chiếm đến ½ kích thước thiết bị. Kích cỡ lớn chính là một trong những nhược điểm của các thế hệ thiết bị y tế cấy ghép hiện nay với pin là nguyên nhân chính. Thêm vào đó, lượng năng lượng giới hạn mà chúng chỉ có thể cung cấp khiến người bệnh phải phẫu thuật mỗi lần thiết bị cấy ghép hết pin. Thật là ác mộng.
“Năng lượng không dây giải quyết được hai thách thức đó”, Ada Poon phát biểu. Và cung cấp năng lượng cho thiết bị y tế cấy ghép qua giao tiếp không dây được cho sẽ làm nên cuộc cách mạng tiếp theo trong lĩnh vực này.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị mới
Thiết bị mới nhất của Poon làm việc bằng cách kết hợp phương pháp truyền năng lượng bằng phát xạ lẫn cảm ứng. Một bộ phát sóng vô tuyến gửi tín hiệu đến một cuộn dây trong cơ thể người qua đó sản sinh một dòng điện trong dây dẫn đủ để cung cấp cho thiết bị hoạt động.
Những khó khăn đã vượt qua
Năm ngoái, Poon đã khiến mọi người ngạc nhiên khi cô chứng tỏ rằng một thiết bị tự hành hoạt động bằng năng lượng không dây có thể bơi trong máu. Để làm được điều đó, có đã phải vượt qua giả thuyết trước nay về khả năng đưa năng lượng vào trong cơ thể người thông qua tín hiệu không dây tần số cao.
Trong vật lý, có một mối liên hệ gián tiếp giữa tần số của các sóng vô tuyến truyền đi và kích thước của ăng ten thu nhận. Cụ thể, với một mức năng lượng nhất định, tần số sóng càng thấp thì cuộn dây ăng ten phải càng lớn và ngược lại. Do vậy chỉ có truyền năng lượng không dây ở dưới dạng tín hiệu tần số cao mới có thể giải quyết được vấn đề kích thước của thiết bị cấy ghép.
Tuy nhiên, nhiều mô hình toán học hiện tại vào thời điểm Poon thực hiện nghiên cứu đều cho rằng sóng vô tuyến tần số cao không thể xuyên đủ xa qua các mô cơ thể người. Poon chứng minh rằng các mô hình này sai hoàn toàn. Theo Poon, các mô người phân tán điện trường rất nhanh, điều này đúng, nhưng sóng vô tuyến cũng có thể lan truyền theo một cách khác: các sóng luân phiên nhau của điện trường và từ trường. Với các phương trình toán học đúng đắn về mặt lý thuyết trong tay, Poon phát hiện ra rằng sóng vô tuyến tần số cao có thể xuyên sâu hơn những gì mọi người trước đó nghĩ. Theo mô hình chỉnh sửa lại của cô và nhóm của mình, năng lượng cực đại có thể truyền qua các mô người xảy ra tại vùng tần số 1,7GHz.
“Trong vùng tần số cao này, chúng tôi có thể tăng năng lượng truyền lên khoảng 10 lần so với các thế hệ thiết bị trước đó”, John Ho, một trong hai nghiên cứu sinh trong nhóm, phát biểu. Điều này có nghĩa là tại tần số này, một cuộn dây bán kính cỡ 1mm có khả năng thu được hơn 50 microwatt năng lượng, quá đủ để vận hành một chiếc máy điều hòa nhịp tim (chỉ cần khoảng 8 microwatt mà thôi).
...và công việc tương lai
Quảng cáo
Dù đã giải quyết được phần lớn vấn đề, tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cho biết trong thời gian sắp tới họ phải tìm cách vượt qua một số khó khăn khác liên quan đến quá trình chế tạo. Đầu tiên, thiết bị y tế của nhóm cần phải tuân thủ tiêu chuẩn sức khỏe nghiêm ngặt được ban hành bởi Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE - Viện Kỹ Nghệ Điện và Điện Tử), đặc biệt là vấn đề làm nóng mô cơ thể. Thứ hai, nhóm cần phải tìm cách định hướng ăng ten thu và nhận sao cho tối ưu hóa hiệu suất truyền, bởi lẽ các nghiên cứu trước đó cho thấy rằng chỉ cần lệch vài ba độ thì hiệu năng truyền đã giảm rất nhiều, mà điều này thì không được cho phép xảy ra với một thiết bị y tế.
Hiện tại, nhóm nghiên cứu cho biết họ đã và đang thiết kế một dạng ăng ten truyền kiểu mới có thể tránh được các vấn đề này. Theo đó, thiết kế mới sẽ tập trung sóng vô tuyến chính xác tại một điểm bên trong cơ thể nơi thiết bị cố định trên bề mặt tim. Cụ thể, nó sẽ gia tăng điện trường tại nơi cần nhất trong khi triệt tiêu chúng ở những nơi khác Điều này sẽ giúp giảm mức độ làm nóng thấp hơn giới hạn cho phép của tiêu chuẩn IEEE.
Với đà nghiên cứu thế này, chúng ta hoàn toàn có thể hy vọng các thiết bị y tế cấy ghép được nạp năng lượng qua giao tiếp không dây sẽ xuất hiện trên thị trường trong một ngày không xa và lúc đó các bệnh nhân sẽ không còn phải sợ các viên pin trong người mình cạn kiệt nữa hay chúng quá to để nhét vào cơ thể tinh tế của chúng ta.
Các bạn quan tâm chi tiết có thể tải về bài báo trên trang web của tạp chí Applied Physics Letter tại đây.
Giáo sư Ada Poon:
Nguồn: Stanford
Quảng cáo
