Lần đầu tiên, chế tạo thành công lưỡi nhân tạo có thể làm được một điều như con người
Thành công này được kỳ vọng mở ra ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát an toàn thực phẩm, phát hiện sớm bệnh tật thông qua phân tích hóa học.
Các nhà khoa học vừa công bố chế tạo thành công lưỡi nhân tạo đầu tiên có thể nếm và xử lý hương vị trực tiếp trong môi trường chất lỏng, mô phỏng cách hoạt động của gai vị giác con người. Công trình nghiên cứu được đăng tải trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ (PNAS) ngày 15/7, được kỳ vọng mở ra ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát an toàn thực phẩm, phát hiện sớm bệnh tật thông qua phân tích hóa học, cũng như hỗ trợ phát triển trí tuệ nhân tạo mô phỏng hoạt động của não bộ.
Lưỡi nhân tạo này được cấu tạo từ các màng graphene oxide – vật liệu carbon siêu mỏng hoạt động như bộ lọc phân tử cho các ion vị giác. Thay vì loại bỏ hạt lớn, màng graphene oxide làm chậm tốc độ di chuyển của ion, giúp hệ thống nhận diện và ghi nhớ hương vị đã trải qua. Thử nghiệm cho thấy thiết bị phân biệt bốn vị cơ bản như ngọt, chua, mặn, đắng với độ chính xác từ 72,5% đến 87,5%, và đạt 96% khi nhận dạng đồ uống phức tạp như cà phê hay Coca-Cola nhờ đặc trưng điện của các hỗn hợp này.
Theo giáo sư hóa học Yong Yan, Trung tâm Công nghệ và Khoa học Nano Quốc gia Trung Quốc, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Thiết bị của chúng tôi hoạt động trong chất lỏng, cảm nhận môi trường và xử lý thông tin giống như hệ thần kinh của con người”. Trước đây, các hệ thống nếm nhân tạo phải gửi dữ liệu sang máy tính ngoài để phân tích, trong khi công nghệ mới tích hợp cả cảm biến và xử lý ngay trong môi trường lỏng, giúp duy trì trạng thái ion tự nhiên và nâng cao độ chính xác.
Thách thức lớn của lĩnh vực này là linh kiện điện tử truyền thống khó vận hành ổn định trong chất lỏng, buộc các nghiên cứu trước đây tách biệt hai chức năng. Giải pháp từ nhóm Yong Yan sử dụng màng graphene oxide vừa cảm biến vừa xử lý thông tin trực tiếp. “Chúng ta đang thiếu các linh kiện có thể thực hiện đáng tin cậy việc cảm biến, xử lý logic và tính toán thần kinh trong môi trường chất lỏng”, Yong nhấn mạnh, đồng thời khẳng định nghiên cứu này giải quyết trọn vẹn vấn đề.
Cơ chế hoạt động của lưỡi nhân tạo dựa trên việc hòa tan hợp chất vào chất lỏng để tạo ion, sau đó các ion di chuyển qua nhiều lớp carbon chuyên dụng, hình thành kênh dẫn siêu nhỏ, mỏng hơn sợi tóc hàng nghìn lần. Mỗi hương vị tạo ra một mẫu ion đặc trưng, được hệ thống “học” và nâng cao khả năng phân biệt qua thời gian. Điểm đột phá là kỹ thuật làm chậm tốc độ di chuyển ion gấp 500 lần, giúp ghi nhớ vị tới 140 giây, so với vài phần nghìn giây trước đây.
Nhóm nghiên cứu so sánh kết quả với công trình của Andrew Pannone công bố trên Nature tháng 10/2024, vốn dùng mạng nơ-ron trên máy tính thể rắn để phân tích dữ liệu từ lưỡi điện tử graphene. Hệ thống mới áp dụng cơ chế “bể chứa” (reservoir computing), một phần xử lý được thực hiện trực tiếp trên thiết bị vật lý, khác với cách hoàn toàn phụ thuộc vào máy tính ngoài. Khả năng ghi nhớ tăng dần, tương tự quá trình não người học phân biệt mùi vị, cho phép phân biệt đáng tin cậy cả những hỗn hợp phức tạp.
Công nghệ này hứa hẹn nhiều ứng dụng: từ chẩn đoán y tế qua phân tích vị giác, đánh giá tác động của thuốc, hỗ trợ bệnh nhân mất vị giác, đến kiểm soát chất lượng thực phẩm, đồ uống và giám sát nguồn nước. “Những đổi mới này đặt nền tảng quan trọng cho các ứng dụng từ chẩn đoán y tế đến máy móc tự động có khả năng nếm môi trường xung quanh”, Yong chia sẻ.
Dù vậy, ông cũng thừa nhận vẫn tồn tại hạn chế về kích thước thiết bị, độ nhạy và tiêu thụ điện năng. Tuy nhiên, Yong tỏ ra lạc quan rằng khi giải quyết được bài toán sản xuất hàng loạt, tối ưu năng lượng, tích hợp thêm cảm biến và phần cứng thần kinh tương thích, công nghệ này có thể tạo nên những bước đột phá trong y tế, robot và giám sát môi trường trong vòng một thập kỷ tới.
Theo: Live Science
