Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đang mở rộng mạnh mẽ vào lĩnh vực y tế và đại dương học, các thiết bị điện tử nhỏ gọn, thông minh và có thể hoạt động lâu dài trong môi trường khắc nghiệt như bên trong cơ thể người hay dưới nước đang trở thành xu hướng phát triển tất yếu. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của các thiết bị này chính là nguồn năng lượng – làm sao để sạc điện ổn định, liên tục và an toàn mà không cần tháo rời hay can thiệp phẫu thuật?

Câu trả lời có thể nằm ở một công nghệ mới đang được nghiên cứu và phát triển bởi các nhà khoa học Hàn Quốc: sạc không dây bằng sóng siêu âm, một phương pháp truyền năng lượng đầy triển vọng thay thế cho các công nghệ truyền thống như cảm ứng điện từ hay tần số vô tuyến (RF).

Thách thức của công nghệ sạc không dây truyền thống

Trong nhiều năm qua, công nghệ sạc không dây đã chứng minh được tính tiện lợi khi ứng dụng trên các thiết bị tiêu dùng như điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh hay tai nghe. Tuy nhiên, đối với những thiết bị nhỏ và được cấy ghép vào cơ thể con người, các công nghệ sạc truyền thống bắt đầu bộc lộ những điểm yếu:

Khoảng cách truyền tải ngắn: Đối với công nghệ cảm ứng từ, khoảng cách giữa bộ phát và bộ nhận điện phải rất gần, thậm chí gần như tiếp xúc, điều này gây khó khăn trong môi trường nước hoặc bên trong cơ thể con người.

Hiệu suất năng lượng thấp trong môi trường sinh học, do mô cơ thể hấp thụ hoặc làm lệch hướng sóng điện từ.

Dễ bị nhiễu điện từ, đặc biệt trong môi trường giàu thiết bị điện tử hoặc hệ sinh học có đặc tính dẫn điện khác nhau.

Chính những hạn chế này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu khám phá những hướng đi mới – và siêu âm đã nổi lên như một lựa chọn đầy tiềm năng.

Siêu âm – giải pháp thay thế lý tưởng cho môi trường đặc biệt

Siêu âm – sóng âm có tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người – vốn đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế như siêu âm thai, nội soi, chẩn đoán hình ảnh, và giờ đây, đang chứng minh khả năng vượt trội trong truyền năng lượng không dây xuyên qua nước và mô sinh học.

Khác với sóng điện từ, sóng siêu âm ít bị ảnh hưởng bởi môi trường nước hoặc mô cơ thể. Chúng có thể truyền xa hơn, ít bị suy hao hơn và an toàn hơn cho sức khỏe con người. Nhận thấy những lợi thế này, nhóm nghiên cứu Hàn Quốc do Tiến sĩ Sunghoon Hur tại Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) và Giáo sư Hyun-Cheol Song tại Đại học Hàn Quốc đã phối hợp phát triển một thiết bị thu siêu âm mềm dẻo, tương thích sinh học và có thể sạc pin không dây trong môi trường nước hoặc dưới da.

Bước đột phá: Thiết bị thu siêu âm mềm dẻo, hiệu suất cao

Một trong những điểm nổi bật của nghiên cứu là việc nhóm phát triển máy thu siêu âm (ultrasonic receiver) có tính mềm dẻo và co giãn, cho phép bám sát bề mặt cong của cơ thể mà không làm giảm hiệu suất thu năng lượng. Đây là một ưu điểm vượt trội so với các máy thu truyền thống vốn thường cứng, dày và kém linh hoạt.

Thiết bị được chế tạo bằng vật liệu áp điện hiệu suất cao – loại vật liệu có khả năng biến đổi năng lượng cơ học (sóng siêu âm) thành điện năng. Đồng thời, cấu trúc của thiết bị được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng, giảm tổn thất và nâng cao công suất đầu ra.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, thiết bị có thể:

Truyền 20 mW năng lượng ở khoảng cách 3 cm trong nước, đủ để sạc hoặc duy trì hoạt động của các thiết bị đeo công suất thấp.

Cung cấp 7 mW năng lượng xuyên qua độ sâu 3 cm dưới da, đủ dùng cho các thiết bị y tế cấy ghép như cảm biến, máy kích thích thần kinh hay máy tạo nhịp tim.

Đây là mức công suất được xem là đột phá so với các công nghệ sạc siêu âm trước đây – vốn chỉ đạt được hiệu suất thấp hơn đáng kể.

Tiềm năng ứng dụng trong y tế: Hướng tới kỷ nguyên thiết bị cấy ghép không cần thay pin

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của công nghệ này là trong lĩnh vực thiết bị y tế cấy ghép, vốn đang bùng nổ nhờ sự phát triển của công nghệ nano, vật liệu sinh học và vi điện tử.

Hiện nay, những thiết bị như máy tạo nhịp tim, cảm biến sinh học, thiết bị kích thích thần kinh thường sử dụng pin cấy ghép có tuổi thọ giới hạn. Khi hết pin, bệnh nhân buộc phải trải qua phẫu thuật để thay thế – vừa tốn kém, vừa rủi ro và gây căng thẳng tâm lý.

Với công nghệ sạc không dây bằng siêu âm:

Thiết bị có thể hoạt động bền bỉ trong thời gian dài mà không cần thay pin.

Sạc qua da hoặc nước mà không cần cổng sạc vật lý, tránh nguy cơ nhiễm trùng.

An toàn sinh học cao, không phát sinh bức xạ điện từ gây hại.

Điều này mở ra tương lai cho các thiết bị y tế cấy ghép “vĩnh viễn”, giúp cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống cho hàng triệu bệnh nhân trên toàn thế giới.

Không chỉ trong y tế: Ứng dụng cho đại dương và thiết bị dưới nước

Ngoài lĩnh vực y tế, công nghệ sạc không dây bằng siêu âm còn có thể ứng dụng rộng rãi trong môi trường biển và đại dương, nơi các thiết bị cảm biến thường gặp khó khăn khi cần tiếp cận để thay pin hoặc bảo trì.

Một số ví dụ ứng dụng:

Cảm biến môi trường biển để giám sát chất lượng nước, nhiệt độ, nồng độ oxy hoặc dấu hiệu sinh học.

Robot và máy bay không người lái dưới nước (AUV/ROV) có thể hoạt động dài hạn mà không cần quay về trạm để sạc.

Cảm biến trên sinh vật biển (như cá mập, rùa biển...) phục vụ nghiên cứu hành vi và sinh thái.

Công nghệ này có thể giúp xây dựng các mạng lưới thiết bị dưới nước hoạt động độc lập, thông minh và lâu dài, phục vụ từ khoa học biển đến bảo vệ an ninh hàng hải.

Cửa ngõ tới thương mại hóa và triển vọng tương lai

Phát hiện của nhóm nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa học thuật mà còn mở ra cánh cửa cho thương mại hóa công nghệ sạc siêu âm. Với khả năng hoạt động ổn định, mềm dẻo, hiệu suất cao và tương thích sinh học, công nghệ này hoàn toàn có thể được tích hợp vào các sản phẩm thương mại trong tương lai gần.

Một số hướng phát triển tiếp theo bao gồm:

Thu nhỏ thiết bị thu, để dễ dàng tích hợp vào các thiết bị cấy ghép có kích thước siêu nhỏ.

Tối ưu hóa bộ phát sóng siêu âm, để nâng cao hiệu suất truyền tải và mở rộng khoảng cách sạc.

Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) nhằm điều chỉnh tần số sóng siêu âm phù hợp với từng môi trường hoặc cơ thể người dùng.

Thử nghiệm lâm sàng và cấp phép y tế để triển khai trên bệnh nhân thật.

Nếu được thương mại hóa rộng rãi, công nghệ này có thể thay đổi hoàn toàn cách con người tương tác với thiết bị công nghệ, đặc biệt trong môi trường sinh học và nước – hai lĩnh vực từng được xem là "khó tính" nhất với công nghệ truyền thống.

Kết luận

Sạc không dây bằng sóng siêu âm không chỉ là một giải pháp kỹ thuật, mà còn là cầu nối giữa công nghệ và sự sống, khi giúp các thiết bị y tế hoạt động ổn định hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn.

Với bước đột phá đến từ Hàn Quốc – quốc gia nổi tiếng với năng lực nghiên cứu khoa học và công nghệ cao – thế giới đang tiến thêm một bước gần hơn tới kỷ nguyên thiết bị không dây thật sự: không dây về dữ liệu, không dây về nguồn điện, và không giới hạn về môi trường hoạt động.

Sự kết hợp giữa siêu âm, vật liệu tiên tiến, thiết kế mềm dẻo và tính tương thích sinh học là minh chứng rõ ràng cho tinh thần sáng tạo không ngừng nghỉ của các nhà khoa học trong việc giải quyết những vấn đề phức tạp của thế giới hiện đại – vì một tương lai nơi công nghệ không chỉ phục vụ cuộc sống, mà còn hòa hợp với chính sự sống.

Nguồn: Tổng hợp