Các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo ra những con chip dạng sợi hoàn toàn linh hoạt, với các mạch điện được tích hợp và nhúng trực tiếp bên trong những sợi đàn hồi mỏng ngang sợi tóc người, đạt mật độ transistor sánh ngang bộ xử lý trung tâm (CPU) của một máy tính gia đình.
Công trình này đánh dấu bước tiến lớn của lĩnh vực điện tử dựa trên sợi, vốn trước đây mới chỉ cho phép tích hợp các chức năng cấp nguồn và cảm biến, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của dệt may điện tử. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành công các mạch tích hợp ở dạng “sợi chỉ”.
Nhờ đó, các sợi vải có thể thực hiện tính toán như chip hoặc hiển thị thông tin như transistor, về lý thuyết cho phép tạo ra những tấm vải có thể giặt bằng máy nhưng vẫn hoạt động như một chiếc máy tính hoặc tivi.
Thành tựu này được công bố hôm 22/1 trên tạp chí khoa học Nature sau khi trải qua bình duyệt. Nghiên cứu do ông Bành Huệ Sinh, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, công tác tại Đại học Phúc Đán (Thượng Hải), dẫn dắt.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một thiết bị điện tử mới mang tên “mạch tích hợp dạng sợi” (fibre integrated circuit – FIC). Thay vì chế tạo mạch trên các đế phẳng cứng truyền thống, họ xây dựng các mạch chức năng trên một nền đàn hồi, sau đó cuộn lại thành một sợi mỏng giống như cuộn giấy.
Dù chỉ mỏng bằng sợi tóc người, mỗi sợi FIC vẫn đạt mật độ 100.000 transistor trên mỗi centimet, đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp của công nghệ tích hợp siêu lớn (VLSI) truyền thống, trong khi vẫn giữ được tính linh hoạt hoàn toàn.
Theo ông Trần Bội Ninh, nhà nghiên cứu tại Viện Vật liệu và Thiết bị Sợi của Đại học Phúc Đán và là đồng tác giả chính của công trình, với độ chính xác quang khắc ở mức 1 micromet trong phòng thí nghiệm hiện nay, một “chip sợi” dài 1 mm có thể tích hợp hàng chục nghìn transistor, với năng lực xử lý thông tin tương đương một số loại chip cấy ghép y sinh.
“Nếu kéo dài sợi lên 1 mét, số transistor có thể tăng lên mức hàng triệu, tiệm cận quy mô tích hợp của các CPU máy tính cổ điển”, ông Trần cho biết trong một báo cáo của Đại học Phúc Đán. “Trong tương lai, quang khắc ở cấp nanomet sẽ còn tiếp tục nâng cao mật độ tích hợp”.
Bản thân sợi FIC có thể hoạt động như một hệ vi máy tính hoàn chỉnh, cho phép kết nối chính xác cao các linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện, diode và transistor. Theo báo cáo, độ chính xác quang khắc đã đạt tới mức cao nhất của các hệ thống quang khắc trong phòng thí nghiệm.
“Các FIC có thể xử lý cả tín hiệu số lẫn tín hiệu tương tự như các chip tính toán thương mại, đồng thời thực hiện tính toán thần kinh với độ chính xác nhận dạng cao, tương đương những bộ xử lý hình ảnh tích hợp trong bộ nhớ tiên tiến nhất hiện nay”, nhóm nghiên cứu viết.
Các nhà khoa học cho biết FIC thể hiện độ ổn định và độ bền vượt trội trong những điều kiện khắc nghiệt mà các mạch phẳng cồng kềnh khó chịu đựng, bao gồm 10.000 chu kỳ uốn cong và mài mòn lặp lại.
Ngoài ra, các sợi này có thể kéo giãn tới 30%, xoắn 180 độ trên mỗi centimet, chịu được hơn 100 lần giặt, nhiệt độ lên tới 100 độ C (212 độ F), thậm chí cả lực nén từ một xe container nặng 15,6 tấn.
Dựa trên nền tảng này, nhóm nghiên cứu đã tiên phong tích hợp các chức năng cấp nguồn, cảm biến, tính toán và hiển thị vào một FIC độc lập duy nhất. Điều này cho phép các thiết bị và trang phục thông minh trong tương lai hoạt động mà không cần chip hay dây dẫn bên ngoài cồng kềnh.
“Khoảng 10 năm trước, chúng tôi đã nảy ra ý tưởng biến chip thành những sợi mềm”, ông Bành nói trong báo cáo của Đại học Phúc Đán. “Nghe có vẻ thú vị, nên chúng tôi bắt tay vào làm”.
Trong suốt thập kỷ qua, nhóm đã tạo ra hơn 30 loại thiết bị sợi chức năng, có khả năng phát điện, lưu trữ năng lượng, phát sáng, hiển thị và cảm biến sinh học, với nhiều thành tựu từng được công bố trên tạp chí Nature.
Hiện tại, nhóm đã bước đầu đạt được khả năng sản xuất chip sợi ở quy mô có thể mở rộng trong phòng thí nghiệm, cho thấy hạ tầng cần thiết cho sản xuất hàng loạt đã hình thành.
“Hệ thống sợi linh hoạt hoàn toàn này mở đường cho các mô hình tương tác trong những ứng dụng tiên tiến như giao diện não–máy, dệt may thông minh và thiết bị đeo thực tế ảo”, nhóm nghiên cứu viết.
Đối với giao diện não–máy, các nhà khoa học cho thấy công nghệ sợi này có thể tích hợp cảm biến, xử lý và kích thích – bao gồm cả tiền xử lý tín hiệu ngay trên sợi – trong một cấu trúc mỏng như sợi tóc.
Họ mô tả hệ thống này có độ tương thích sinh học và độ mềm tương đương mô não, nhưng không làm suy giảm hiệu năng so với các giải pháp thương mại hiện có.
Ý tưởng đặt ra là các chip sợi có thể biến quần áo thông thường thành màn hình tương tác. Chẳng hạn, chỉ dẫn đường có thể xuất hiện ngay trên tay áo thay vì trên màn hình điện thoại, hoặc đồ thể thao có thể hiển thị dữ liệu sức khỏe và video theo thời gian thực.
Trong lĩnh vực thực tế ảo, các găng tay xúc giác thông minh tích hợp FIC sẽ có độ linh hoạt và khả năng thoáng khí cao, đồng thời chứa các mảng cảm biến và kích thích mật độ lớn, cho phép mô phỏng chân thực cảm giác chạm vào nhiều loại vật thể khác nhau. Công nghệ này có thể được ứng dụng trong phẫu thuật từ xa hoặc các trải nghiệm tương tác với vật thể ảo.
Theo SCMP
