Sự nở rộ của ngành công nghiệp robot, và mới đây là các thiết bị cảm biến đeo trên cơ thể đã đặt ra những yêu cầu cấp thiết về mạch truyền dẫn thông tin hội tụ hai yếu tố: độ bền cao và khả năng uốn, kéo giãn tùy tại bề mặt bao phủ. Một số nghiên cứu trước đây về kim loại lỏng đã cho thấy khả năng thực hiện được hai yêu cầu này với mạch điện điện tử. Thế nhưng đối với mạch quang học, đây có lẽ là sản phẩm đầu tiên có khả năng truyền dẫn khi bị uốn hay kéo giãn, được nghiên cứu và công bố bởi một nhóm các nhà khoa học đến từ Đại Học Ghent University, Bỉ. Phần mạch ngầm của thiết bị được chế tạo bằng vật liệu PDMS (poly-dimethylsiloxane) – một loại vật liệu dẻo trong suốt khá phổ biến hiện nay.
Những mạch quang học ngầm (optical interconnections) hay còn gọi là đường dẫn ánh sáng (lightguides), đường dẫn sóng (waveguides) để truyền dẫn tín hiệu đã được các nhà khoa học chế tạo bằng vật liệu dẻo từ nhiều năm trước. Thế nhưng, theo nhóm nghiên cứu đến từ Đại Học Ghent University, vẫn chưa có một phương thức nào hợp lý để duy trì ánh sáng trong những vật liệu đó khi chúng bị kéo giãn. Kể cả với phương pháp tích hợp các mạch ngầm bằng sợi thủy tinh vào vật liệu dẻo.
Ý tưởng được các nhà nghiên cứu đưa ra đó là sử dụng chính vật liệu dẻo để làm đường dẫn ánh sáng và sử dụng thêm một lớp vật liệu nữa để khóa ánh sáng trong đó. Cụ thể, mạch quang học của thiết bị mới này gồm có hai lớp vật liệu đều được làm từ PDMS trong suốt. Một lớp lõi bên trong để truyền dẫn ánh sáng và một lớp vỏ bên ngoài có chiết suất thấp. Chiết suất là một đặc tính của vật liệu, biểu thị khả năng cho ánh sáng xuyên qua của chúng. Nhờ có chiết suất thấp, lớp bên ngoài sẽ “khóa” ánh sáng và buộc nó phải lan truyền trong lớp lõi kể cả khi bị kéo giãn. Mạch này sau đó sẽ được kết nối vào một nguồn phát ánh sáng- VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser- tạm dịch: bộ phát laser bề mặt dọc trục) và một bộ thu– diode ánh sáng (photodiode). Tạo thành một mạch dẫn truyền mà theo ông Jeroen Missine– trưởng nhóm nghiên cứu- cho biết, đó là “mạch quang học có khả năng uốn, kéo giãn kích thước nhỏ thực thụ đầu tiên trên thế giới”.
(a) Đặt chồng 2 lớp vật liệu PDMS để tạo thành các khoang rỗng.
(b) Đặt một lớp dung dịch lõi ở cửa vào khoang rỗng.
(c) Lưu hóa dung dịch sau khi lấp đầy khoang rỗng.
Nguồn: The Optical Society
Thử nghiệm về khả năng uốn và kéo của thiết bị cho thấy, thiết bị vẫn có thể duy trì truyền dẫn ánh sáng khi bị kéo giãn đến 30% hoặc bị uốn vòng quanh một vật thể có đường kính tương đương với ngón tay người. Thêm vào đó, dù bị kéo giãn ở mức 10% trong 80.000 lần thì tổn thất quang học và tổn thất cơ học phát sinh trong thiết bị cũng rất thấp. “Chúng tôi thực sự thấy bất ngờ khi các thử nghiệm kéo giãn chỉ có ảnh hưởng rất ít đến các mạch ngầm, và các đặc tính cơ học của chúng lại tốt đến vậy” Ông Missinne cho biết. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định sẽ giảm đường kính các mạch ngầm từ 50 um xuống đến chỉ còn vài um. Đây là một thiết bị đầy hứa hẹn ứng dụng trong robot và cảm biến gắn lên cơ thể người, đặc biệt ở các vị trí có yêu cầu biến dạng cao và thường xuyên như các khớp chả hạn.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Optics Express.
Trungmaster, theo The Optical Society
Link công bố:
Missine et al., “Stretchable optical waveguides”, Optics Express, Vol. 22, Issue 4, pp. 468-4179 (2014)
