Phát minh của Trung Quốc làm rung chuyển ngành công nghệ: Thiết bị "đọc não" chính xác đến 94%, gõ chữ bằng suy nghĩ trong nhiều giờ

Một nhóm nghiên cứu Trung Quốc vừa chế tạo thành công loại điện cực có cấu trúc chuyển tiếp độ cứng, giúp cải thiện sự thoải mái và độ ổn định của các hệ thống giao diện não – máy tính (BCI) không xâm lấn.

Trong các thử nghiệm, điện cực mới đạt độ chính xác hơn 94% khi người tham gia nhập ký tự bằng cách nhìn vào bàn phím ảo. Thiết bị cũng được tích hợp vào mũ đo điện não đồ (EEG) thương mại và thử nghiệm trong điều kiện nghỉ ngơi suốt 14 giờ.

Đáng chú ý, điện cực cho phép ghi nhận tín hiệu điện não ổn định liên tục trong 8 giờ khi người tham gia thực hiện các hoạt động thường ngày. Kết quả này góp phần khắc phục một trong những rào cản lớn đối với việc ứng dụng BCI không xâm lấn ngoài môi trường phòng thí nghiệm.

Trong nghiên cứu được công bố tháng 10 trên tạp chí khoa học bình duyệt NPJ Flexible Electronics, nhóm tác giả nhận định kết quả cho thấy tiềm năng của vật liệu hydrogel có cấu trúc chuyển tiếp trong việc phát triển các hệ thống BCI không xâm lấn, có thể sử dụng khi người dùng di chuyển tự do.

Công nghệ này có thể mở rộng khả năng ứng dụng BCI trong đời sống, bao gồm chăm sóc sức khỏe hằng ngày, theo dõi giấc ngủ và cảnh báo các tình trạng bệnh lý như động kinh.

BCI là lĩnh vực công nghệ đang phát triển nhanh chóng, cho phép kết nối hoạt động của não người với các hệ thống kỹ thuật số bên ngoài. Mục tiêu là chuyển đổi tín hiệu não thành những thao tác như nhập văn bản bằng suy nghĩ hoặc điều khiển thiết bị điện tử.

Khác với BCI xâm lấn hoặc bán xâm lấn, vốn đòi hỏi đặt điện cực bên trong hộp sọ hoặc cấy trực tiếp vào mô não, BCI không xâm lấn sử dụng các thiết bị đeo có gắn cảm biến để đo hoạt động não và chuyển đổi thành lệnh kỹ thuật số.

Nhóm nghiên cứu, do các nhà khoa học từ Đại học Quảng Tây, Đại học Y Quảng Tây và Đại học Thanh Hoa dẫn đầu, cho biết các hệ thống BCI không xâm lấn cần điện cực vừa ổn định vừa thoải mái để có thể sử dụng trong thời gian dài.

Theo nhóm tác giả, các loại điện cực cứng hoặc mềm đồng nhất hiện nay thường không tương thích tốt với bề mặt da đầu, dễ gây nhiễu tín hiệu khi người dùng chuyển động và có thời gian hoạt động ngắn.

Điều này khiến nhiều hệ thống BCI không xâm lấn hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm, khi người dùng giữ nguyên tư thế, nhưng kém ổn định hơn khi được sử dụng trong điều kiện thực tế.

Phần lớn các hệ thống BCI không xâm lấn hiện nay dựa trên công nghệ EEG, sử dụng mũ gắn điện cực tiếp xúc với da đầu để đo hoạt động điện của não.

Các điện cực ướt truyền thống thường có lõi kim loại cứng được phủ gel dẫn điện. Tuy nhiên, chúng chỉ duy trì hiệu suất ổn định trong khoảng 2–4 giờ do gel dần mất nước. Sự khác biệt giữa điện cực cứng và da đầu mềm cũng có thể khiến điện cực bị trượt, gây biến động tín hiệu khi người dùng cử động.

Dù các phương án thay thế như điện cực bán khô, điện cực khô và điện cực dạng miếng dán đã được nghiên cứu, chúng nhìn chung vẫn chưa đáp ứng đồng thời yêu cầu tương thích với da đầu mềm và mạch điện EEG cứng.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu phát triển điện cực hydrogel có độ cứng thay đổi dần từ mềm sang cứng, sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình chế tạo.

Theo các nhà khoa học, cấu trúc mới giúp điện cực mềm tại vị trí tiếp xúc với da đầu nhưng cứng hơn ở đầu kết nối với mạch điện. Đồng thời, hệ thống lỗ rỗng có kích thước thay đổi dần cho phép chất điện giải được giải phóng liên tục, duy trì khả năng dẫn tín hiệu.

Nhóm tác giả cho biết quy trình sản xuất tương thích với sản xuất quy mô lớn, cho phép chế tạo đồng thời 300 điện cực với kích thước tùy chỉnh để phù hợp với các loại mũ EEG thương mại.

Theo các nhà nghiên cứu, khả năng sản xuất này cho thấy triển vọng cung ứng điện cực với chi phí hợp lý và quy mô lớn, yếu tố quan trọng để đưa các nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm vào ứng dụng BCI thực tế.

Trước khi thử nghiệm trên người, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra tính tương thích sinh học của điện cực trên chuột và không ghi nhận phản ứng bất lợi.

Sau đó, các điện cực mới được thử nghiệm trên người thông qua mũ EEG có 8 kênh, có khả năng ghi nhận hoạt động não và truyền dữ liệu không dây tới máy tính.

Kết quả cho thấy hệ thống duy trì việc ghi điện não liên tục trong 8 giờ khi người tham gia thực hiện các hoạt động như đi bộ, ăn uống, đọc sách và ngủ.

Nhóm nghiên cứu cũng tiến hành thử nghiệm kéo dài 14 giờ trong điều kiện nghỉ ngơi. Trong thời gian này, một người tham gia khác thực hiện các nhiệm vụ ở trạng thái tĩnh và khi chuyển động theo từng giờ.

Ở bài kiểm tra trạng thái tĩnh, người tham gia nhìn vào bàn phím ảo có các ký tự nhấp nháy để nhập dãy số từ 1 đến 9 và ngày tháng. Độ chính xác khi nhập ký tự luôn vượt 94%.

Trong bài kiểm tra chuyển động, các đường màu lần lượt quét qua một dãy ô ảo và người tham gia phải tập trung vào những ô mục tiêu. Độ chính xác của nhiệm vụ này vượt 90%.

Nhóm nghiên cứu cũng so sánh điện cực mới với các điện cực gel thương mại. Kết quả cho thấy điện cực truyền thống bị suy giảm hiệu suất nghiêm trọng theo thời gian do mất nước, với các kênh đo gần như không thể sử dụng sau 4–5 giờ.

Các nhà khoa học nhận định kết quả nghiên cứu đã xác lập một hướng thiết kế điện cực mô phỏng đặc tính của da, có khả năng duy trì hoạt động ổn định trong thời gian dài. Đây là bước tiến hướng tới ứng dụng BCI không xâm lấn trong nghiên cứu thần kinh khi người dùng di chuyển và theo dõi lâm sàng.

Theo SCMP

Theo Thiên Di