Chấm dứt nỗi lo hết pin ở cảm biến đeo trên người

Chấm dứt nỗi lo hết pin ở cảm biến đeo trên người

Bạn hẳn biết cảm giác hoảng hốt thoáng qua khi thiết bị theo dõi thể lực hết pin đúng lúc vừa bắt đầu tập luyện. Đột nhiên, thiết bị vốn dùng để theo dõi nhịp tim, lượng calo tiêu hao và cường độ vận động trở thành một miếng nhựa vô dụng trên cổ tay. Nỗi bực bội khi phải tìm dây sạc, sự bất tiện của những thiết bị cần liên tục nạp điện từ ổ cắm và cảm giác áy náy vì pin dùng một lần từ lâu đã đeo bám ngành công nghệ thiết bị đeo. Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản đã phát triển một công nghệ có thể khiến những phiền toái này trở thành chuyện quá khứ. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học Tokyo đã tạo ra miếng dán mỏng gắn trên da, có thể trực tiếp tạo ra điện từ mồ hôi người, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu dùng pin sạc hoặc dây sạc.

Bước đột phá này dựa trên loại mực enzyme gốc nước, cho phép in lưới toàn bộ pin nhiên liệu sinh học lên đế giấy chỉ trong một công đoạn. Được công bố trực tuyến ngày 6 tháng 2 năm 2026 trên tạp chí ACS Applied Engineering Materials, nghiên cứu cho thấy mật độ công suất cực đại đạt khoảng 165 microwatt trên mỗi centimet vuông (khoảng 1.065 microwatt trên mỗi inch vuông) ở mức điện áp 0,63 volt. Công suất này đủ để vận hành các cảm biến sinh học tiêu thụ ít năng lượng và truyền dữ liệu không dây, qua đó có khả năng làm thay đổi cách chúng ta theo dõi sức khỏe khi tập thể dục, chăm sóc lâm sàng và sinh hoạt hằng ngày. Sáng kiến này đánh dấu sự chuyển dịch căn bản từ năng lượng dự trữ sang năng lượng thu hoạch, sử dụng chính hóa học của cơ thể làm nguồn nhiên liệu.

Phó giáo sư Isao Shitanda, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Hóa học Thuần túy và Ứng dụng, cho biết mục tiêu là vượt qua những rào cản sản xuất khiến các công nghệ tương tự mắc kẹt trong phòng thí nghiệm suốt nhiều năm. Bằng cách tạo ra loại mực có thể in đồng đều chỉ trong một lượt, nhóm nghiên cứu đã mở ra hướng đi thiết thực để sản xuất hàng loạt cảm biến sinh học đeo trên người không dùng pin. Bước phát triển này diễn ra khi thị trường thiết bị y tế đeo trên người toàn cầu đang tiến gần mốc 195 tỷ USD, còn việc loại bỏ pin là một trong những thách thức kỹ thuật cấp bách nhất của lĩnh vực.

Biến hóa học trong cơ thể thành điện năng

Các thiết bị này được gọi là pin nhiên liệu sinh học enzyme, hay EBFC, tạo ra điện bằng cách sử dụng enzyme sinh học để thúc đẩy các phản ứng hóa học trong dịch cơ thể. Trong nghiên cứu này, nhiên liệu chính là lactate, một sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa có trong mồ hôi. Khi tập thể dục, cơ bắp tạo ra lactate trong lúc tiêu thụ glucose để lấy năng lượng; một phần hợp chất này thoát ra khỏi cơ thể qua mồ hôi. Các nhà nghiên cứu Nhật Bản thiết kế hệ thống để đo nồng độ lactate trong khoảng từ 1 đến 25 millimolar, tương ứng trực tiếp với điều kiện tập luyện thực tế, từ hoạt động nhẹ đến gắng sức cao.

Quá trình điện hóa này có cách vận hành đơn giản mà hiệu quả. Tại một điện cực, enzyme giúp tách electron khỏi các phân tử lactate. Sau đó, electron di chuyển qua mạch điện bên ngoài, tạo ra dòng điện. Ở điện cực đối diện, oxy từ không khí xung quanh tiếp nhận các electron này để hoàn tất phản ứng. Dòng electron liên tục tạo ra nguồn điện hữu dụng cho việc cảm biến và truyền dữ liệu mà không cần điện tích dự trữ hay nguồn điện bên ngoài. Vì thiết bị dựa vào các hóa chất cơ thể tự nhiên tạo ra, điện được sản sinh thụ động trong các hoạt động thường ngày như đi bộ, tập thể dục hoặc làm việc nhà.

Các nghiên cứu trước đây của cùng nhóm đã chứng minh công suất này có thể vận hành hệ thống Bluetooth Low Energy, cho phép thiết bị truyền không dây kết quả đo lactate trong mồ hôi mà không cần pin hỗ trợ. Điều này tạo ra một vòng giám sát tự cấp năng lượng: bạn càng gắng sức, cơ thể càng tiết nhiều mồ hôi, từ đó có thêm năng lượng để truyền dữ liệu về tình trạng thể chất. Mối liên hệ này rất hữu ích cho việc theo dõi sức khỏe bằng thiết bị đeo. Cảm biến sẽ hoạt động mạnh hơn đúng vào lúc cơ thể cần được theo dõi nhất.

Giải quyết nút thắt sản xuất

Trong nhiều năm, pin nhiên liệu sinh học enzyme cho thấy nhiều triển vọng trong phòng thí nghiệm, nhưng những thách thức trong sản xuất đã cản trở việc ứng dụng rộng rãi. Các phương pháp chế tạo thông thường gồm nhiều công đoạn tốn nhiều nhân lực. Trước tiên, nhà sản xuất phải in một lớp điện cực carbon, sau đó nhỏ riêng dung dịch enzyme và chất trung gian lên bề mặt, rồi chờ các màng không đồng đều khô. Quy trình nhiều giai đoạn này khiến các thiết bị có độ biến thiên đáng kể, gây khó khăn cho việc kiểm soát chất lượng và khiến sản xuất hàng loạt thiếu tính khả thi. Chỉ cần khác biệt nhỏ về lượng chất lỏng được nhỏ xuống hoặc thời gian làm khô cũng có thể khiến công suất và khả năng cảm biến thay đổi giữa các miếng dán.

Để giải quyết thách thức này, Phó giáo sư Isao Shitanda cùng nhóm nghiên cứu, trong đó có cô Mahiro Omori thuộc Đại học Khoa học Tokyo và ông Mitsuru Hanasaki thuộc Công ty TNHH RESONAC, đã phát triển một công thức giúp gộp các công đoạn dễ sai lệch này vào một lớp có thể in. Sáng kiến nằm ở việc trộn sẵn các thành phần hóa học hoạt tính trực tiếp vào mực in, cho phép chế tạo cả hai điện cực chỉ trong một lượt, bằng cách in qua lưới lên đế giấy mỏng.

Để tránh các kỹ thuật chế tạo EBFC tốn nhiều nhân công, kém hiệu quả và đắt đỏ, chúng ta cần đưa ra thị trường loại mực enzyme có thể in đồng đều và phù hợp với sản xuất hàng loạt.

Phương pháp in lưới này vốn đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, nghĩa là công nghệ có thể tích hợp liền mạch vào các dây chuyền hiện có. Công thức gốc nước tránh dùng dung môi hữu cơ có thể làm hỏng cấu trúc enzyme nhạy cảm, đảm bảo các thành phần sinh học vẫn duy trì hoạt tính sau khi in. Việc hợp nhất các công đoạn giúp giảm độ biến thiên giữa các thiết bị, mở đường cho thách thức tiếp theo: biến các mẫu in trong phòng thí nghiệm thành cảm biến bền chắc, có thể đeo và sản xuất được trong nhà máy.

Chế tạo loại mực tối ưu

Để tạo ra mực enzyme ổn định, có thể in được, nhóm nghiên cứu phải cân bằng cẩn thận nhiều thành phần. Họ kết hợp carbon mao quản trung bình được tạo khuôn bằng magie oxit, một vật liệu xốp có diện tích bề mặt cực lớn, với các chất trung gian hóa học hỗ trợ truyền electron. Nhóm bổ sung POLYSOL, một chất kết dính gốc nước mới dưới dạng nhũ tương polymer, có khả năng liên kết chặt với bề mặt carbon đồng thời duy trì môi trường ổn định cho enzyme bên trong cấu trúc xốp. Carboxymethyl cellulose được dùng làm chất làm đặc để đạt độ đặc thích hợp cho in lưới.

Việc sử dụng carboxymethyl cellulose có ý nghĩa đặc biệt. Nghiên cứu liên quan được công bố trên tạp chí Nature cho thấy chất phụ gia này cải thiện khả năng phân tán của mực carbon mao quản trung bình và giúp các lỗ xốp bên trong vật liệu dễ tiếp cận hơn. Trong các nghiên cứu trước, việc thêm CMC vào những công thức carbon tương tự đã giúp mật độ dòng điện cực đại tăng hơn gấp đôi và mật độ công suất tăng hơn 2,5 lần so với các điện cực chế tạo không có chất phụ gia này.

Có lẽ khâu khó nhất trong chế tạo pin nhiên liệu sinh học luôn là cực âm, điện cực sử dụng oxy, nơi electron hoàn tất mạch điện. Các enzyme xử lý oxy đặc biệt nhạy cảm và khó ổn định bằng những phương pháp sản xuất thông thường. Bằng cách trộn trực tiếp bilirubin oxidase vào cùng hỗn hợp mực in dùng cho các bộ phận còn lại của pin, nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã tạo ra cực âm ổn định, có hiệu suất cao chỉ trong một lượt in. Đây là lần đầu tiên một cực âm hoạt động đầy đủ được in lưới bằng mực enzyme, qua đó tháo gỡ nút thắt lớn cuối cùng trong sản xuất pin nhiên liệu sinh học quy mô lớn.

Hiệu suất sát với đời sống thực tế

Thử nghiệm điện hóa cho thấy các điện cực in hoạt động tốt hơn đáng kể so với các điện cực thông thường chế tạo bằng phương pháp nhỏ phủ. Pin nhiên liệu sinh học lactate-oxy hoàn chỉnh đạt mật độ công suất tối đa 165 microwatt trên mỗi centimet vuông ở điện áp hoạt động 0,63 volt. Kết quả này vượt xa mức 96 microwatt trên mỗi centimet vuông từng được báo cáo ở các hệ thống tương tự, đánh dấu bước tiến lớn về hiệu suất thu năng lượng cho các ứng dụng đeo trên người.

Các thử nghiệm độ tin cậy cũng cho kết quả ấn tượng không kém. Điện cực chế tạo bằng phương pháp nhỏ phủ thường suy giảm xuống dưới một nửa hoạt tính ban đầu chỉ sau vài phút đến vài giờ, do enzyme phân bố không đều và bám kém vào đế. Trong các đợt thử nghiệm kéo dài, điện cực làm từ mực enzyme hầu như không suy giảm, duy trì hiệu suất ổn định, yếu tố thiết yếu để có thể sử dụng thực tế trên thiết bị đeo.

Hệ thống hoạt động hiệu quả trong khoảng nồng độ lactate sinh lý quan sát được ở người khỏe mạnh khi tập thể dục, khoảng 1 đến 25 millimole trên mỗi lít. Sự tương thích với thành phần hóa học tự nhiên của mồ hôi là yếu tố then chốt giúp thiết bị có thể sử dụng trong thực tế. Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh khả năng mở rộng quy mô bằng thử nghiệm in cuộn nối cuộn, liên tục in khoảng 1.312 feet (400 mét) vật liệu đế, cho thấy phương pháp sản xuất có thể vận hành ở quy mô công nghiệp. Thử nghiệm bảo quản ở 5 độ C trong điều kiện chân không cho thấy enzyme được duy trì hoạt tính tốt nhất, gợi mở các phương thức vận chuyển khả thi cho sản phẩm thương mại.

Ứng dụng trong thể thao và chăm sóc sức khỏe

Cảm biến mồ hôi tự cấp năng lượng có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong khoa học thể thao, việc theo dõi lactate theo thời gian thực có thể cung cấp phản hồi tức thì về cường độ tập luyện và tình trạng mỏi cơ mà không cần vận động viên dừng lại để lấy máu. Huấn luyện viên có thể theo dõi ngưỡng mệt mỏi, vận động viên có thể tối ưu hóa nhịp độ, còn khối lượng tập luyện có thể được điều chỉnh dựa trên dữ liệu sinh hóa trực tiếp thay vì ước tính. Mối liên hệ giữa lactate trong mồ hôi và lactate trong máu vẫn phức tạp, nhưng với mục đích theo dõi hiệu suất, mức độ tương quan hiện đã đủ cao để đưa ra thông tin hữu ích.

Trong môi trường chăm sóc sức khỏe, theo dõi chuyển hóa liên tục có thể giúp phát hiện sớm các vấn đề sức khỏe. Tại viện dưỡng lão và cơ sở chăm sóc người cao tuổi, bệnh nhân không phải lúc nào cũng có thể mô tả rõ triệu chứng. Mất nước, căng thẳng do nóng và nhiễm trùng giai đoạn đầu đều làm thay đổi thành phần hóa học của mồ hôi theo những cách có thể đo được. Miếng dán da tự cấp năng lượng, theo dõi liên tục có thể phát hiện các thay đổi này sớm hơn nhiều giờ so với những lần kiểm tra định kỳ thông thường. Với nhân viên y tế, khả năng cảnh báo sớm đồng nghĩa với can thiệp nhanh hơn, giảm nguy cơ tình trạng khẩn cấp leo thang và cải thiện kết quả điều trị. Với bệnh nhân, miếng dán mỏng như giấy, chỉ cần dán lên da, giúp loại bỏ mọi trở ngại trong việc tuân thủ theo dõi.

Các cảm biến tương tự có thể góp phần vào hệ thống phòng ngừa say nắng bằng cách phát hiện những dấu hiệu cảnh báo sớm trong quá trình chuyển hóa, khi thời tiết nóng khiến các hoạt động bình thường trở thành thử thách nguy hiểm. Mô hình theo dõi ít gây phiền hà tương tự cũng có thể áp dụng trong quá trình hồi phục sau phẫu thuật và quản lý bệnh mạn tính, cho phép thu thập dữ liệu đều đặn, điều vốn khó duy trì với các thiết bị phụ thuộc vào pin.

Tác động đến môi trường và kinh tế

Mỗi thiết bị đeo riêng lẻ có vẻ nhỏ bé, nhưng tác động tổng thể đến môi trường lại rất đáng kể. Năm 2022, thế giới phát sinh khoảng 68,3 triệu tấn rác thải điện tử, trong đó chỉ khoảng 22% được ghi nhận là đã thu gom và tái chế đúng cách. Miếng dán không dùng pin sẽ không thể tự mình giải quyết khủng hoảng rác thải điện tử, đặc biệt nếu được thiết kế để dùng một lần, nhưng chúng có thể giảm nhu cầu sử dụng pin cỡ nhỏ và giúp thiết kế thiết bị đơn giản hơn đáng kể.

Loại bỏ pin cúc áo vốn chi phối thiết kế cảm biến đeo trên người trong nhiều thập kỷ sẽ đồng thời giảm kích thước, chi phí và tác động môi trường. Với các miếng dán y tế dùng một lần hiện cần thay pin hoặc phải xử lý cùng các thành phần độc hại, công nghệ này mang đến một giải pháp sạch hơn, hoạt động hoàn toàn nhờ các chất mà cơ thể vốn đã tạo ra.

Xét về kinh tế, công nghệ hứa hẹn cắt giảm chi phí đáng kể. Nếu toàn bộ thiết bị có thể được chế tạo bằng quy trình in lưới hoàn chỉnh, chi phí sản xuất có thể giảm xuống khoảng 10 yen mỗi thiết bị, giúp các ứng dụng thiết bị đeo dùng một lần hoặc quy mô lớn trở nên khả thi về mặt kinh tế. Điều này đưa công nghệ vào vị thế có thể làm thay đổi thị trường thiết bị y tế đeo trên người toàn cầu, lĩnh vực được các nhà phân tích dự báo sẽ vượt mốc 195 tỷ USD vào năm 2030.

Thách thức trên đường ra thị trường

Dù kết quả đầy hứa hẹn, vẫn cần nghiên cứu thêm trước khi pin nhiên liệu sinh học chạy bằng mồ hôi có thể được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị thương mại. Cần chứng minh đế giấy có thể chịu được mồ hôi, việc uốn cong và chuyển động hằng ngày mà không giảm hiệu suất. Enzyme có thể dần mất tác dụng do thay đổi nhiệt độ, tiếp xúc với oxy và các điều kiện môi trường trong lúc đeo. Nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng công nghệ có thể sẽ chưa được ứng dụng thực tế trước khoảng năm 2030, sau khi tiếp tục tối ưu hóa, xác nhận hiệu quả trong thời gian dài và tích hợp với các nền tảng thiết bị đeo.

Giá trị trong thực tế sẽ phụ thuộc vào việc miếng dán có tạo cảm giác thoải mái, duy trì kết quả đo ổn định và cung cấp tín hiệu rõ ràng cho bác sĩ lâm sàng lẫn người dùng ở nhiều thể trạng và mức độ hoạt động khác nhau hay không. Dù thử nghiệm in cuộn nối cuộn đã chứng minh khả năng mở rộng quy mô sản xuất, quá trình chuyển từ điều kiện phòng thí nghiệm sang sản phẩm tiêu dùng vẫn đòi hỏi kiểm tra độ bền nghiêm ngặt và xác nhận lâm sàng. Các nhà nghiên cứu dự kiến các công ty in ấn và nhà sản xuất thiết bị chăm sóc sức khỏe có thể là những đơn vị tiên phong tiếp nhận công nghệ này sau khi các rào cản cuối cùng được tháo gỡ.

Nếu giải quyết được những thách thức này, các ứng dụng có thể hình dung khá rõ. Theo dõi lactate theo thời gian thực có thể giúp vận động viên điều chỉnh cường độ tập luyện, còn giám sát chuyển hóa liên tục có thể hỗ trợ các cơ sở chăm sóc cần phương thức theo dõi thụ động, ít gây phiền hà. Công nghệ này có tiềm năng góp phần hiện thực hóa một xã hội an toàn và khỏe mạnh hơn, làm nền tảng cho các cảm biến theo dõi tình trạng thể chất chỉ bằng cách đeo trên người.

Điểm chính

• Các nhà nghiên cứu Nhật Bản tại Đại học Khoa học Tokyo đã phát triển loại mực enzyme gốc nước, cho phép in lưới pin nhiên liệu sinh học chạy bằng mồ hôi chỉ trong một công đoạn, đạt công suất 165 microwatt trên mỗi centimet vuông ở mức điện áp 0,63 volt.
• Công nghệ loại bỏ nhu cầu dùng pin trong cảm biến đeo trên người bằng cách chuyển hóa lactate trong mồ hôi thành điện thông qua các phản ứng enzyme, tạo đủ năng lượng để truyền dữ liệu qua Bluetooth Low Energy.
• Khác với các phương pháp sản xuất thông thường gồm nhiều công đoạn gây ra độ biến thiên giữa các thiết bị, loại mực enzyme mới cho phép in đồng thời cả hai điện cực lên đế giấy, có khả năng giảm chi phí xuống khoảng 10 yen mỗi thiết bị.
• Hệ thống đo nồng độ lactate từ 1 đến 25 millimolar, phù hợp với điều kiện tập luyện thực tế, và có thể hỗ trợ theo dõi sức khỏe liên tục cho vận động viên, người cao tuổi được chăm sóc và công tác phòng ngừa say nắng.
• Dự kiến công nghệ có thể được ứng dụng thực tế vào khoảng năm 2030, sau khi tiếp tục tối ưu hóa độ ổn định khi bảo quản, xác nhận hiệu quả trong thời gian dài và tích hợp với các nền tảng thiết bị đeo.