Tài liệu 10 Công nghệ làm thay đổi thế giới (bài 1) pdf

10 Công nghệ làm thay đổi thế giới
(bài 1)
Tạp chí Technology Review (www.technologyreview.com) vừa đưa ra danh
sách 10 công nghệ mới được đánh giá sẽ làm thay đổi cách sống và làm việc
của xã hội hiện đại. Cùng với bản danh sách, là chân dung các nhà phát minh
hàng đầu thế giới, những con người đang miệt mài, âm thầm lao động trong
phòng thí nghiệm để làm nên những thay đổi lớn lao cho nền tin học, y học,
chế tạo học, giao thông và hạ tầng năng lượng của loài người.
1. Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network)
Đảo Great Duck (Vịt Lớn) ngoài khơi Maine – Mỹ, có diện tích 90 hecta,
bao phủ bởi núi đá và những thảm cỏ; đây là nơi làm tổ lớn nhất trên thế giới
của loài chim báo bão Leach, và cũng là nơi tiến hành những thí nghiệm tiên
ti
ến nhất thế giới về mạng không dây. Mùa hè năm ngoái, các nhà nghiên
c
ứu đã đặt những thiết bị theo dõi nhỏ xíu vào các hang làm tổ của loài chim
này. H
ọ gọi là những "hạt bụi" (mote) do chúng có nguồn điện rất nhỏ - một
cặp pin AA – và được trang bị một bộ vi xử lý, một bộ nhớ nhỏ xíu cùng với
các cảm biến theo dõi ánh sáng, độ ẩm, áp suất và nhiệt độ. Mỗi "hạt bụi"
còn có một bộ thu-phát radio chỉ đủ mạnh để phát đi dữ liệu tới các "hạt bụi"
gần đó và chuyển tiếp thông tin nhận được từ các hàng xóm khác.
Không ch
ỉ là một nghiên cứu mới nhất về tập tính của loài chim, những "hạt
bụi" này còn mở ra tương lai của các mạng cảm biến chạy pin không dây
làm nhiệm vụ theo dõi môi trường, máy móc và thậm chí cả chính con
người. David Culler (Đa
-vít Cu-lơ), nhà khoa học máy tính tại đại học tổng
hợp Berkeley (Bếch-kơ-ly), bang California đã nghiên cứu công nghệ này
được 4 năm. Ông nói "Đây là một trong những cơ hội lớn lao của công nghệ
thông tin, các mạng cảm biến không dây năng lượng thấp sẽ dẫn đầu triển

vọng của ngành này".
Hi
ện tại, Culler tạm thời rời đại học Berkeley để phụ trách một phòng thí
nghi
ệm nhỏ của Intel hoàn thiện các "hạt bụi" đó, cũng như hệ thống phần
cứng và phần mềm để phát triển các mạng không dây với hàng ngàn thậm
chí hàng triệu cảm biến. Những mạng này sẽ quan trắc hầu hết mọi thứ, như
giao thông, thời tiết, hoạt động địa chấn, các lực nén lên cao ốc hay cầu,
những cuộc hành quân trên mặt trận - tất cả với một mức độ tinh tế hơn
nhiều so với trước đó. Do những mạng như thế quá phân tán để có thể nối
cứng các cảm biến vào lưới điện hay lưới truyền thông, thách thức số một
của dự án là làm thế nào để các "hạt bụi" có thể truyền tin không dây cho
nhau với nguồn năng lượng pin tối thiểu. Theo ông Culler, "những thiết bị
này phải tự tổ chức thành một mạng bằng cách nghe ngóng nhau và xác định
xem nghe thấy từ cái nào . . . nhưng chỉ riêng hoạt động nghe thôi cũng tốn
năng lượng rồi". Do vậy, việc t
ìm cách tắt sóng radio trong hầu hết thời gian
trong khi vẫn cho phép dữ liệu lan truyền qua mạng, từ "hạt bụi" này tới "hạt
bụi" khác, giống như cách chia dữ liệu trên Internet thành các gói rồi tìm
đường đi từ nút mạng này tới nút mạng khác. Trước khi nhóm của Culler tìm
ra l
ời giải, chưa hề có một thứ giao thức như trên Internet để mạng không
dây làm việc được. Giải pháp của họ là: TinyOS, một hệ điều hành nhỏ gọn
chỉ cỡ vài kilobyte, làm những công việc quản lý như đóng gói dữ liệu để
chuyển tiếp và bật sóng radio lên chỉ khi nào cần thiết. Hệ điều hành TinyOS
có th
ể tải về miễn phí và tự do sửa đổi, do vậy các nhà nghiên cứu không
thuộc đại học Berkeley và Intel có thể tiến hành thử nghiệm các mạng cảm
biến không dây trong nhiều môi trường mà không phải mất công phát triển
lại công nghệ cơ sở. Theo ông Deborah Estrin (Đơ-bô-ra Étx-trin), giám đốc

trung tâm cảm biến nhúng nối mạng của trường ĐHTH California thuộc
bang Los Angeles, các "hạt bụi" của Culler đã trở thành một "nền móng hỗ
trợ lớn". Ông Estrin hiện đang khoan thăm dò một mỏ tự nhiên ở vùng núi
San Jacinto v
ới một mạng dày đặc các cảm biến hình ảnh và tiểu khí hậu
không dây.
Những nhà nghiên cứu khác đang tìm cách thu nhỏ các "hạt bụi" hơn nữa.
Một nhóm, do nhà khoa học máy tính Kristofer Pister (Krítx-tô-phơ Pitx-tơ)
thuộc đại học Berkeley lãnh đạo, đặt mục tiêu thu nhỏ còn 1 mm3. Với kích
thước đó, các cảm biến không dây có thể đặt v
ào mặt đường, vật liệu xây
dựng, sợi vải và thậm chí cả cơ thể con người. Nguồn thông tin cảm biến thu
được sẽ nâng cao hiểu biết của chúng ta về môi trường xung quanh và giúp
chúng ta b
ảo vệ tổ ấm của chính mình.
2. Công ngh
ệ sản xuất mô tiêm (Injectable Tissue Engineering)
Mỗi năm, hơn 700,000 bệnh nhân tại Mỹ phải phẫu thuật thay thế khớp.
Những ca này thuộc loại đại phẫu thuật, trong đó đầu gối hay phần mông
được thay bằng bộ phận cấy ghép nhân tạo, do vậy nhiều bệnh nhân cố gắng
trì hoãn càng lâu. Jennifer Elisseeff (Gien-ni-phơ Ê-li-sép), một kỹ sư dược
phẩm sinh học tại trường đại học Johns Hopkins, kỳ vọng một liệu pháp mới
sẽ loại bỏ hoàn toàn việc phẫu thuật: mô tiêm. Bà cùng các đồng sự đã phát
tri
ển một phương pháp tiêm vào khớp một dung dịch hỗn hợp đặc biệt gồm
các polyme lỏng đặc biệt, các tế bào và chất kích thích sinh trưởng; sau khi
chiếu tia hóa liệu chúng sẽ cứng lại và hình thành nên mô khỏe mạnh.
Elisseeff nói "Chúng tôi không chỉ đang cố gắng cải tiến liệu pháp hiện
dùng, mà chúng tôi đang thực sự thay đổi ho
àn toàn nó".

Công trình c
ủa Elisseeff là một phần trong những nỗ lực khám phá công
ngh
ệ sản xuất mô, một lĩnh vực mà các nhà nghiên cứu từ lâu đã hy vọng sẽ
sản xuất ra những mô nuôi cấy trong phòng thí nghiệm để thay thế các cơ
quan, mô cấy ghép. Trong ba thập kỷ vừa qua, các nhà nghiên cứu đã tập
trung nuôi mô mới trên khung polyme trong phòng thí nghiệm. Mặc dù đã
thành công trong vi
ệc tạo ra những lượng nhỏ sụn và da, nhưng các nhà
nghiên cứu vẫn gặp khó khăn với các khung polyme lớn hơn. Thậm chí nếu
thành công thì các bác sĩ vẫn phải phẩu thuật để cấy ghép. Tới nay, Elisseeff,
cũng như các nhà nghiên cứu công nghiệp và hàn lâm khác, đang chuyển
hướng sang các hệ thống tiêm được đỡ tốn kém hơn nhiều. Đa phần các ứng
dụng sản xuất mô có thể đưa vào sử dụng sớm nhất đều dùng cách tiêm, chứ
không phải cấy ghép. Và Elisseeff đang nỗ lực đẩy nhanh tốc độ này.
Bà cùng các đồng sự đã dùng một hệ thống tiêm được để nuôi sụn trong cơ
thể chuột. Các nhà nghiên cứu ghép các tế bào sụn vào một polyme lỏng
nhạy sáng và tiêm nó dưới da lưng chuột. Sau đó họ chiếu tia cực tím qua
da, làm cho polyme cứng lại và bọc lấy các tế bào. Qua một thời gian, các tế
bào sinh sôi và phát triển thành sụn. Để kiểm tra tính khả thi của công nghệ
về yêu cầu phẫu thuật nhỏ hơn, các nhà nghiên cứu đã tiêm chất lỏng vào
kh
ớp gối của xác chết, sau đó dùng một sợi quang để quan sát quá trình hóa
rắn trên một màn hình vô tuyến.
Trong khi hầu hết các nghiên cứu về mô tiêm tập trung
vào sụn và xương, các nhà phân tích cho rằng công
nghệ này còn có thể mở rộng ra các mô khác như gan
và tim. Theo Anthony Atala, bác sĩ phẫu thuật nhi tại đại học tổng hợp
Harvard, liệu pháp này có thể cho phép thay thế các phần nhiễm bệnh của
một cơ quan và khôi phục chức năng của nó. Trong trường hợp bệnh tim,

thay vì phải mở lồng ngực để phẫu thuật cấy van cơ khí hay mô cơ khí, thì
ch
ỉ cần tiêm hỗn hợp tế bào và chất lỏng polyme phù hợp vào rồi dùng tia
chi
ếu hóa liệu.
Với Elisseeff và các nhà nghiên cứu khác, giới hạn tiếp theo nằm ở một công
cụ mới mạnh mẽ: các tế bào gốc. Lấy từ tủy xương hoặc phôi thai, các tế bào
g
ốc có khả năng phân tách thành nhiều loại tế bào. Elisseeff và các cộng sự
đ
ã khai thác khả năng này để nuôi đồng thời tủy và xương mới; đây là một
trong những kỹ thuật tinh vi nhất trong công nghệ sản xuất mô. Họ làm ra
các l
ớp hỗn hợp polyme-tế bào gốc, chiếu các tia hóa liệu riêng cho từng lớp
kích thích các tế bào này phát triển thành xương hoặc tủy. Dạng lai ghép như
thế sẽ đơn giản hóa các ca phẫu thuật như thay đầu gối, trong đó yêu cầu
thay phần trên của xương ống chân và phần sụn trên nó.
Vi
ệc nuôi các cơ quan nhân tạo 100% không thể làm được trong ngày một
ngày hai. Giáo sư Elisseeff hướng đích tới các tiến bộ nhỏ hơn để có thể hiện
thực hóa sản xuất mô trong vòng một thập kỷ. Và với hàng ngàn bệnh nhân
cần thay khớp mỗi năm tại Mỹ, những tiến bộ nhỏ đó cũng là quá lớn.
3. Công nghệ pin mặt trời nano (nano solar cells)
Mặt trời có lẽ là nguồn năng lượng duy nhất đủ lớn để thay thế các nguyên
li
ệu hóa thạch cho chúng ta. Nhưng việc khai thác năng lượng của nó phụ
thuộc công nghệ chip silicon. Giá thành của các chip silicon đẩy giá năng
lượng mặt trời cao gấp 10 lần so với nhi
ên liệu hóa thạch, do vậy chỉ được
dùng trong các vệ tinh và các ứng dụng cao cấp khác.

Paul Alivisatos (Pôn Ali-vi-sa-tốtx), một nhà hóa học tại đại học Berkeley,
bang California, đề xuất một sáng kiến hay hơn: dùng công nghệ nano để
sản xuất các nguyên liệu quang điện mà có thể trải ra như giấy nilông hay
sơn. Không chỉ có thể nhúng các pin mặt trời nano vào các vật liệu xây dựng
khác, mà gi
ải pháp này còn hứa hẹn giá thành sản xuất rẻ để năng lượng mặt
trời được dùng rộng rãi thay cho điện năng.
Hướng tiếp cận của Alivasatos bắt đầu từ các polyme dẫn điện. Các nh
à
nghiên c
ứu khác đang tìm cách trộn các pin mặt trời vào những vật liệu này,
nhưng thậm chí những thiết bị tốt nhất cũng không đủ công suất để chuyển
năng lượng mặt trời thành điện năng. Để tăng công suất, Alivisatos v
à các
đồng sự đang thêm một thành phần mới vào polyme: nanorod (que nano),
chúng là các tinh th
ể vô cơ bán dẫn hình thanh có kích thước khoảng 7 tới
60 nano mét. Kết quả thu được là một vật liệu linh hoạt và rẻ tiền, đạt được
hiệu quả như các pin mặt trời bằng silicon. Alivisatos hy vọng trong 3 năm
tới, phòng thí nghiệm Nanosys do ông đồng sáng lập sẽ cho ra một loại pin
mặt trời nanorod có công suất như các hệ thống dùng silicon. Các mẫu pin
mặt trời ông đã làm ra cho tới nay bao gồm các tấm composite nanorod-
polyme dày độ 200 nanomet. Các lớp điện cực mỏng được kẹp giữa các tấm
composite. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm này, chúng sẽ hấp thụ
các photon, kích hoạt các electron trong polyme và nanorod (chiếm 90%
thành phần composite). Kết quả sinh ra một dòng điện đủ dùng do các điện
cực tạo nên.
Nh
ững kết quả bước đầu rất đáng khích lệ. Hiện tại một số kỹ thuật còn giúp
nâng cao công su

ất hơn nữa. Đầu tiên, Alivasatos và các đồng sự chuyển
sang một vật liệu nanorod mới, cadmium telluride, chất này hấp thụ nhiều
ánh sáng hơn cadmium selenide được dùng trước đó. Họ cũng đa
ng tìm cách
s
ắp xếp các nanorod thành các nhóm phân nhánh để dẫn electron hiệu quả
hơn so với các nanorod hỗn độn. Alivisatos giải thích "Đây chỉ l
à vấn đề xử
lý, không có lý do rõ ràng tại sao các pin mặt trời nano cuối cùng vẫn không
làm sao so được với
các pin silicon".
Các pin m
ặt trời nano có thể trải ra, in như mực phun hoặc thậm chí sơn vào
bề mặt do vậy "một bảng quảng cáo trên xe buýt cũng có thể là một ác-quy
m
ặt trời" – như ông Stephen Emedocles, giám đốc phát triển thương mại của
Nanosys, phát biểu. Ông dự đoán rằng những vật liệu rẻ tiền có thể sẽ tạo ra
một thị trường 10 tỷ USD mỗi năm cho pin mặt trời, và làm lung lay thị
trường pin silicon truyền thống.
Các nanorod của Alivisatos không phải là công nghệ duy nhất tìm kiếm năng
lượng mặt trời rẻ tiền. Nhưng dù cho cuối cùng hướng đi của ông có cách
mạng hóa năng lượng mặt trời được hay không, thì ông đã mang lại những