DARPA & công nghệ phỏng sinh học

(PCWorldVN) Công nghệ phỏng sinh học hiện nay đang ngày càng phát triển với những phát minh đáng kinh ngạc, và DARPA là một trong những cơ quan nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực náy.

• Sinh trắc học tiến triển
• Tội phạm mạng đang tìm cách qua mặt bảo mật sinh trắc học
• 6 ứng dụng sinh trắc học phổ biến hiện nay
• IBM, Cray sẽ thiết kế siêu máy tính cho DARPA
• Robot của WPI chuẩn bị cho vòng chung kết robot của DARPA

Phỏng sinh học (bionic) còn gọi là phỏng sinh hay mô phỏng sinh học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu các chức năng, đặc điểm và hiện tượng của sinh vật trong tự nhiên, kể cả con người để từ đó chế tạo ra các thiết bị công nghệ nhằm cải tiến hoạt động và đáp ứng nhu cầu của xã hội.

Ngành khoa học phỏng sinh (bionics/biomimetics) có lịch sử tương đối non trẻ. Thuật ngữ này ra đời vào năm 1958 bởi bác sĩ, đại tá khôngquân Jack. E. Steel với chuyên ngành giải phẫu thần kinh học. Về sau này, nhà sáng chế Buckminster Fuller và nhà nghiên cứu JanineBenyus đã đặt nền móng, phổ biến rộng rãi ngành khoa học kì thú này.

Trước đó, vào năm 1945, một trong những sản phẩm tiêu biểu đầu tiên chính là hệ thống máy lọc máu mô phỏng chức năng của thận được phát minh bởi nhà tiên phong trong lĩnh vực cơ quan nhân tạo Willem Kolff. Nhà khoa học này còn được biết đến với việc phát triển trái tim nhân tạo được cấy ghép thành công trong cơ thể người hồi năm 1982.

DARPA: tên viết tắt của Cơ quan các dự án phòng thủ tiên tiến (Defense Advanced Research Projects Agency) trực thuộc Lầu Năm Góc - Hoa Kỳ được hình thành để thực hiện dự án nghiên cứu và phát triển mở rộng nghành công nghệ và khoa học. Tiền thân của cơ quan này chính là ARPA nổi bật với dự án ARPANET- mạng internet đầu tiên của thế giới. DARPA hiện nay hoạt động độc lập với chức năng chính là nghiên cứu và đầu tư và các dự án khoa học triển vọng trong tương lai. DARPA nổi bật với các dự án quân sự và công nghệ sinh học. DARPA có 240 nhân sự trong đó 13 người cấp quản lý và hơn 140 nhân viên kĩ thuật với ngân sách hoạt động năm 2015 này là 3 tỷ USD. Các dự án công nghệ mà tổ chức này đầu tư và nghiên cứu thường kéo dài từ 2- 4 năm

Tương tác bằng tín hiệu não bộ

Jan Scheuermann bị liệt tứ chi vì căn bệnh thoái hóa não vào cuối năm 1990. Nhằm giúp những người như Jan Scheuermann có thể tự vận động và chăm sóc bản thân, hồi năm năm 2012, DARPA tài trợ cho nhóm khoa học của Đại học Pittsburgh thực hiện một dự án cánh tay robot điều khiển bằng trí não.

Jan Scheuermann và khả năng điều khiển cánh tay robot

Nhóm nghiên cứu này đã cấy hai thiết bị vi điện cực vào vỏ não vận động bên trái, vùng não điều khiển chức năng vận động. Các bác sĩ đã sử dụng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI - functional Magnetic Resonance Imaging) với khả năng hoạt động theo thời gian thực nhằm tìm chính xác điểm sáng của não khi bệnh nhân nghĩ tới việc dịch chuyển cánh tay. Điện cực gắn trong não kết nối với cánh tay robot thông qua máy tính với trình điều khiển chạy thuật toán phức tạp nhằm giải mã tín hiệu, tương tự như cách thức não điều khiển chân tay ở người bình thường.

Trong vòng một tuần, Scheuermann đã có thể cảm nhận được cánh tay điện tử và sau đó 3 tháng, cô đã có thể uốn cong cổ tay điện tử, các động tác phức tạp hơn như nâng đồ vật hay có thể tự ăn với sự trợ giúp của cánh tay.

Các nhà nghiên cứu đang tiến hành việc sử dụng công nghệ vô tuyến để giúp người bệnh điều khiển chân tay robot không dây. Ngoài ra, trong tương lai hệ thống này có thể được gắn thêm vòng cảm biến giúp tương tác phản hồi xúc giác (phân biệt nóng và lạnh, bề mặt nhẵn hay thô ráp). Nhưng thiết bị vẫn có một số hạn chế: hệ thống này chỉ có thể cử động theo 7 hướng mỗi lần. Giờ đây nhóm nghiên cứu cho biết họ có thể tăng khả năng chuyển động của cánh tay lên 10 hướng bằng cách bổ sung thêm 4 tín hiệu điều khiển mới nhằm mô tả rõ hơn về hình dạng của bàn tay giả, hay khả năng các ngón tay và ngón cái để có thể cử động theo những kiểu khác nhau.

Sau dự án này Scheuermann tiếp tục tình nguyện cho chương trình DARPA robot khác.

Điều khiển không cần quan sát

Một dự án DARPA khác mà Scheuermann tham gia vào việc thử nghiệm mô hình mới trong lĩnh vực điều khiển thiết bị bằng trí não. Không đơn thuần chỉ là điều khiển cánh tay robot của mình như cách đây 3 năm, hiện nay với những công nghệ mới, Scheuermann đã có thể điều khiển mô hình máy bay chiến đấu mới nhất và đắt nhất của Lầu Năm Góc: Joint Strike Fighter F-35.

Máy bay chiến đấu F35

Điều này đánh dấu một bước tiến mới trong lĩnh vực điều khiển thiết bị mà không cần nhìn (telekinesis) và điểm nhấn ở đây là công nghệ tương tác thông qua tín hiệu não bộ mà DARPA đang nghiên cứu bấy lâu nay.

Thử nghiệm mới này vẫn sử dụng hai lưới điện cực được cấy vào não của Scheuermann hồi năm 2012, không có gì mới nhưng hiện tại công nghệ này đã có thể triển khai thành công với việc điều khiển những mô hình lớn hơn. Quá trình bay thông qua công nghệ mô phỏng sinh học đã cho thấy mô hình này có cơ chế làm việc tốt hơn với việc điều khiển bằng tay và quan sát bằng mắt.

“Thay vì nghĩ đến việc kiểm soát phím điều khiển, điều phi công thực hiện khi họ lái phương tiện này, Jan nghĩ đến việc trực tiếp kiểm soát phi cơ”, Arati Prabhakar, giám đốc của DARPA cho hay. Dự án này được xem như là phương thức giải phóng não bộ ra khỏi những hạn chế của cơ thể con người trong tương lai.

Cánh tay giả cho người khuyết tật

Năm 2014 vừa qua, DARPA đã cùng công ty nghiên cứu và phát triển DEKA giới thiệu cánh tay sinh học Luke Arm với kích thước cũng như trọng lượng tương đương với cánh tay của một người trưởng thành. DARPA đã đầu tư 40 triệu USD vào dự án này và đây chỉ là một phần của dự án "cách mạng hóa chân tay giả" (Revolutionizing Prosthetics) mà cơ quan này đang phát triển.

Cánh tay giả Luke Arm

Cánh tay giả này được đặt tên Luke Arm, giống như cánh tay được dùng trong phim Star Wars. Cánh tay được điều khiển bởi các điện cực điện cơ đồ (electromyogram electrode) đặt trên cơ thể người với nhiệm vụ tiếp nhận các xung tín hiệu, sau đó truyền đến cơ bắp và chuyển tiếp đến bộ xử lý đặt bên trong. Hệ thống xử lý tín hiệu và chuyển thành các lệnh giúp chuyển động các khuỷu khớp, cổ tay và bàn tay. Hiện nay cánh tay giả này có thể thực hiện được 10 động tác cùng lúc với độ chính xác từng centimet. Trong thử nghiệm lâm sàng, 90% trong số 36 người tham gia đã làm được mọi thứ giống như cánh tay thật như mở dây kéo, sử dụng thìa, nĩa, bát đũa cho việc gắp thức ăn, hay nhặt trứng mà không làm vỡ chúng...

Cục Quản lý Thuốc và Dược phẩm của Mỹ (Food and Drug Administration - FDA) đã đánh giá DEKA Arm là cánh tay giả được điều khiển bằng tín hiệu điện đầu tiên có khả năng tự động hóa đồng thời cùng lúc tốt nhất hiện nay. Tháng 5/2014, FDA đã phê duyệt cho phép sử dụng Luke Arm, tuy nhiên Deka vẫn chưa thông báo chính thức thời gian đưa vào thương mại hóa cũng như giá bán cụ thể. Như vậy, sau nhiều năm chờ đợi, trong tương lai gần những người khuyết tật có thể có được những chiếc chân tay giả với khả năng hoạt động gần như thật sẽ là không còn quá xa nữa.

HAPTIX

Chân tay giả hiện tại được thiết bởi kim loại hay nhựa tổng hợp, nhưng với dự án mới của DARPA là Tay điều hướng và giao diện cảm ứng (Hand proprioception and Touch Interface- HAPTIX) được kì vọng mang đến nhiều trải nghiệm mới cho người khuyết tật. Hệ thống này sử dụng cảm biến được cấy dưới da và kết nối không dây với các bộ phân bên ngoài nhằm mang đến các tương tác xúc giác qua cánh tay giả.

Cánh tay giả với các xúc giác mang đến cảm giác thực

Điểm nhấn của dự án này là ứng dụng khả năng điều hướng của chân tay giả mà không cần nhìn, người khuyết tật có thể tự tin biết chính xác những gì mình đang làm. Nói cách khác, công nghệ mới này mang lại những cảm giác giống như thật và chúng ta không còn thấy đó là một thiết bị gắn trên người

Phản hồi xúc giác là một trong những rào cản lớn nhất đối với các nhà thiết kế của chân tay giả cho người khuyết tật. Chìa khóa để HAPTIX phát triển dựa trên các dây thần kinh ngoại biên trong bộ phận khuyết tật, bởi đây là hệ thống cung cấp thông tin phản hồi cảm giác cần thiết. Trong hệ thống thần kinh của con người thì dây thần kinh ngoại vi mang đến lượng thông tin phong phú và dễ dàng tiếp cận và giao tiếp hơn tất cả. Nhiều nghiên cứu cho thấy các dây thần kinh vận động và duy trì cảm giác vẫn có đầy đủ chức năng trong nhiều thập kỉ ở các chi bị khuyết tật.

Nếu chương trình diễn ra theo đúng kế hoạch, DARPA sẽ được Cục Quản lý Thuốc và Thực phẩm Mỹ cho phép đưa vào thử nghiệm lâm sàng trên người vào năm 2019.

Khả năng tự chữa lành cơ thể

Công nghệ thuốc điện tử ElectRx là chương trình nghiên cứu nhằm giảm sự phụ thuộc của con người vào các loại được phẩm, được kì vọng làm thay đổi cách thức chuẩn đoán và điều trị chấn thương trong tương lai. Công nghệ này cho phép cấy ghép những thiết bị siêu nhỏ có chức năng đánh giá tình trạng sức khỏe và cung cấp những kích thích thần kinh cần thiết nhằm duy trì chức năng của các cơ quan trong cơ thể.

Tạo vùng bộ nhớ trên não bộ

Ý tưởng thuốc điện tử dựa trên những nghiên cứu về hệ thống thần kinh ngoại biên và sự tác động của sóng điện từ tới các mô để giúp cơ thể tự chữa bệnh và tránh các kích thích có hại cho cơ thể. Thiết bị này có thể tham gia điều tiết chức năng của hệ miễn dịch, cho phép điều trị nhiều dạng bệnh viêm nhiễm như viêm khớp, viêm ruột. ElectRx cũng được dự kiến sẽ cải thiện các phương pháp điều trị kích thích dây thần kinh trong các căn bệnh rối loạn về não và tâm thần. Một dự án tương tự cũng được phát triển đó là chip hồi phục trí nhớ được cấy vào não có tên gọi là Restoring Active Memory (RAM) nhằm hồi phục chức năng ghi nhớ cho người bị chấn thương não. Mục đích của dự án này là lấy tín hiệu thần kinh từ vùng não hoạt động bình thường, tách biệt khỏi vùng bị tổn thương để tạo ra một khu vực riêng của chịu trách nhiệm ghi nhớ ký ức.

Ngoài ra DARPA còn bắt đầu sản xuất những bộ Medpac giúp cầm máu ngay lập tức bằng cách tiêm vào vết thương. Chúng có thể liên kết các tế bào với nhau và kích hoạt cơ chế đông máu tự nhiên của cơ thể. Tuy nó không thể chữa lành vết thương ngay lập tức nhưng nó giúp người bị thương có thêm thời gian để cấp cứu cũng như sơ cứu.

Dự án khung xương trợ lực – Exoskeleton DARPA đã bắt đầu chương trình Warrior Web với mục tiêu tạo ra Soft Exosuit - bộ khung mềm tăng cường vận động thông minh dành cho binh lính và bệnh nhân gặp khó khăn trong di chuyển. Bộ khung xương trợ lực này có thể nâng được trọng lượng lớn hơn bình thường 17 lần, tăng sức chịu đựng và giảm bớt sự quá tải cho cơ bắp của họ và đặc biệt là khả năng tiêu thụ năng lượng ít hơn 100W. Bộ não và hệ thần kinh của Soft Exosuit chính là các vi xử lý và cảm biến. Hệ thống này tương tác với nhau thông qua các tín hiệu dữ liệu theo thời gian thực nhằm đảm bảo các hoạt động theo trạng thái của người mặc.

PC World VN, 05/2015