1. MŨI KIM SIÊU NHỎ ĐỂ TIÊM VÀ LẤY MÁU XÉT NGHIỆM KHÔNG LÀM ĐAU BỆNH NHÂN  

Những chiếc kim siêu nhỏ có thể được sử dụng để tiêm và lấy mẫu máu xét nghiệm mà không gây đau cho dù được gắn vào ống tiêm hay miếng dán do chúng không tiếp xúc với các đầu dây thần kinh. Những chiếc kim siêu nhỏ này thường có chiều dài từ 50 - 2.000 micrômet (độ dày của một tờ giấy) và đường kính từ 1 - 100 micrômet (đường kính sợi tóc) do đó chúng chỉ xuyên qua lớp da chết (trên cùng) để tiếp cận với lớp thứ hai (biểu bì) chứa các tế bào sống và dịch kẽ nhưng hầu như không chạm tới hoặc chỉ chạm vào lớp hạ bì bên dưới là nơi có các đầu dây thần kinh cùng với máu, mạch bạch huyết và mô liên kết.

Nhiều ứng dụng ống tiêm và miếng dán với các mũi kim siêu nhỏ đã được sử dụng để tiêm vắc xin và nhiều ứng dụng khác đang được thử nghiệm lâm sàng để sử dụng trong điều trị bệnh tiểu đường, ung thư và đau thần kinh. Do các mũi kim này đưa thuốc trực tiếp vào lớp biểu bì hay hạ bì nên thuốc được cung cấp hiệu quả hơn nhiều so với các miếng dán thẩm thấu qua da dựa vào sự khuếch tán qua da. Trong năm nay, các nhà nghiên cứu đã ra mắt một kỹ thuật mới để điều trị các chứng rối loạn về da như bệnh vẩy nến, mụn cóc và một số loại ung thư bằng cách trộn các vi hạt hình ngôi sao vào một loại kem hoặc gel trị liệu. Tuy nhiên, việc xuyên qua da nhẹ nhàng của các mũi kim siêu nhỏ giúp tăng cường sự dẫn truyền của chất điều trị.

Nhiều sản phẩm kim siêu nhỏ có thể lấy máu hoặc dịch kẽ một cách nhanh chóng, không gây đau được sử dụng trong xét nghiệm chẩn đoán hoặc theo dõi sức khỏe đang tiến tới thương mại hóa. Các lỗ nhỏ do kim tạo ra gây ra sự thay đổi cục bộ về áp suất trong lớp biểu bì hoặc hạ bì giúp cho xilanh hút được máu hay dịch kẽ. Nếu các mũi kim này được tích hợp với cảm biến sinh học, trong vòng vài phút, thiết bị có thể đo trực tiếp các dấu hiệu sinh học cho biết tình trạng sức khỏe hay bệnh tật, chẳng hạn như glucose, cholesterol, rượu, sản phẩm phụ của thuốc hay tế bào miễn dịch.

Một số sản phẩm cho phép lấy máu tại nhà và gửi đến phòng thí nghiệm hoặc phân tích tại chỗ. Một trong số các sản phẩm này đã vượt qua các rào cản quy định: Hoa Kỳ và Châu Âu gần đây đã phê duyệt thiết bị lấy máu TAP của Hãng Seventh Sense Biosystems, cho phép người dân tự lấy mẫu máu với số lượng ít để gửi đến phòng thí nghiệm hay để tự theo dõi tại nhà. Trong các cơ sở nghiên cứu, kim siêu nhỏ cũng đang được tích hợp với các thiết bị liên lạc không dây để đo phân tử sinh học để xác định liều lượng thuốc thích hợp và sau đó cung cấp đúng liều lượng đó - một cách tiếp cận có thể giúp hiện thực hóa y học cá nhân hóa.

Hiện nay, Micron Biomedical đã phát triển một phương pháp tiếp cận có thể sử dụng dễ dàng những mũi kim siêu nhỏ này: một miếng dán có kích thước bằng miếng gạc mà bất kỳ ai cũng có thể sử dụng. Miếng dán kim siêu nhỏ do Hãng Vaxxas phát triển đang trong giai đoạn thử nghiệm ban đầu tiêm vắcxin cho động vật và người tạo ra các phản ứng miễn dịch tăng cường sử dụng chỉ bằng một phần nhỏ so với liều thông thường. Các mũi kim siêu nhỏ cũng có thể làm giảm nguy cơ lây truyền virus qua đường máu và giảm chất thải nguy hại từ việc vứt bỏ kim tiêm thông thường.

Tuy nhiên, các mũi kim siêu nhỏ không phải lúc nào cũng là một lợi thế; chúng sẽ không phù hợp khi cần dùng liều lượng lớn. Bên cạnh đó, không phải tất cả các loại thuốc đều có thể đi qua các mũi kim siêu nhỏ, cũng như không thể lấy tất cả các mẫu phẩm bằng loại kim này. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu các yếu tố như tuổi và cân nặng của bệnh nhân, vị trí tiêm và kỹ thuật dẫn thuốc ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả của các công nghệ sử dụng các mũi kim siêu nhỏ. Tuy nhiên, những mũi kim siêu nhỏ để tiêm hay lấy máu không đau này có thể được kỳ vọng sẽ mở rộng đáng kể việc dẫn thuốc và chẩn đoán và những công dụng mới sẽ được phát triển khi các nhà nghiên cứu tìm ra cách sử dụng chúng ở các cơ quan dưới da.

2. SẢN XUẤT CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI  

Việc sản xuất ra nhiều hóa chất quan trọng phục vụ các nhu cầu của con người từ nhiên liệu hóa thạch gây ra phát thải carbon dioxide và biến đổi khí hậu. Một cách tiếp cận mới sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển carbon dioxide phát thải thành những hóa chất cần thiết, có khả năng làm giảm lượng khí phát thải theo hai cách: sử dụng khí phát thải không mong muốn làm nguyên liệu thô và ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng cần thiết cho sản xuất.

Quá trình này ngày càng khả thi nhờ những tiến bộ đạt được trong việc phát triển các chất xúc tác hoạt hóa bằng ánh sáng mặt trời hay còn gọi là chất xúc tác quang. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển chất xúc tác quang có khả năng phá vỡ liên kết đôi bền giữa carbon và oxy trong carbon dioxide. Đây là bước đầu tiên quan trọng trong việc tạo ra các nhà máy tinh chế sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất các hợp chất hữu ích từ khí thải - bao gồm các phân tử “nền tảng” có thể dùng làm nguyên liệu để tổng hợp các sản phẩm đa dạng như thuốc, chất tẩy rửa, phân bón và dệt may.

Chất xúc tác quang thường là chất bán dẫn, đòi hỏi tia cực tím năng lượng cao để tạo ra các điện tử tham gia vào quá trình biến đổi carbon dioxide. Tuy nhiên, tia cực tím vừa khan hiếm (chỉ chiếm 5% ánh sáng mặt trời) vừa có hại. Do đó, việc phát triển các chất xúc tác mới hoạt động dưới ánh sáng khả kiển dồi dào và lành tính hơn là một mục tiêu quan trọng. Nhu cầu đó đang được giải quyết bằng cách biến đổi thành phần, cấu trúc và hình thái của các chất xúc tác hiện có, chẳng hạn như titanium dioxide. Mặc dù nó chuyển đổi hiệu quả carbon dioxide thành các phân tử khác chỉ phản ứng với tia cực tím, việc pha nó với nitơ làm giảm đáng kể năng lượng cần thiết để chuyển đổi như vậy. Chất xúc tác được thay đổi giờ đây chỉ cần ánh sáng khả kiến để tạo ra các hóa chất được sử dụng rộng rãi như metanol, fomanđehit và axit formic - cực kỳ quan trọng trong sản xuất chất kết dính, bọt, ván ép, tủ, sàn và chất khử trùng.

Hiện tại, nghiên cứu hóa học về năng lượng mặt trời chủ yếu được thực hiện trong các phòng thí nghiệm hàn lâm, như tại Trung tâm Hợp tác về quang hợp nhân tạo, do Viện Công nghệ California hợp tác với Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley điều hành hay sự hợp tác của các trường đại học, ngành công nghiệp và các tổ chức nghiên cứu và công nghệ có trụ sở tại Hà Lan với tên gọi Sunrise consortium; và Khoa Phản ứng dị thể tại Viện Chuyển đổi năng lượng hóa học Max Planck ở Mülheim, Đức. Một số công ty khởi nghiệp đang nghiên cứu một cách tiếp cận khác để biến carbon dioxide thành các chất hữu ích - cụ thể là sử dụng điện để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Việc sử dụng điện để cung cấp năng lượng cho các phản ứng rõ ràng sẽ kém thân thiện với môi trường hơn so với sử dụng ánh sáng mặt trời nếu điện được tạo ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, nhưng sử dụng quang điện có thể khắc phục được nhược điểm đó.

Những tiến bộ trong chuyển đổi carbon dioxide thành hóa chất sử dụng ánh sáng mặt trời chắc chắn sẽ được thương mại hóa và phát triển hơn nữa bởi các công ty khởi nghiệp hoặc các công ty khác trong những năm tới. Sau đó, ngành công nghiệp hóa chất - bằng cách biến carbon dioxide thành các sản phẩm có giá trị - sẽ tiến một bước gần hơn đến việc trở thành một phần của nền kinh tế tuần hoàn, không chất thải thực sự, cũng như giúp biến mục tiêu không phát thải thành hiện thực.

3. BỆNH NHÂN ẢO  

Hiện nay, một số thuật toán mới cho phép máy tính chẩn đoán một căn bệnh với độ chính xác chưa từng có, làm tăng thêm tính khả thi của những dự đoán rằng máy tính sẽ sớm thay thế các bác sĩ. Điều gì sẽ xảy ra nếu máy tính cũng có thể thay thế bệnh nhân? Ví dụ, nếu người ảo có thể thay thế người thật trong một số giai đoạn của quá trình thử nghiệm vắc xin virus Corona, thì nó có thể đã thúc đẩy sự phát triển của một công cụ phòng ngừa và làm chậm sự lây lan của đại dịch. Tương tự, những vắc xin tiềm năng không hiệu quả có thể được xác định sớm, giảm chi phí thử nghiệm và tránh thử nghiệm những vắc xin không tốt trên những tình nguyện viên. Đây là một số lợi ích của “y học in silico”, phương pháp sàng lọc thuốc và điều trị trên các cơ quan hoặc cơ thể ảo để dự đoán cách một người sẽ phản ứng với các liệu pháp này như thế nào. Có thể dự đoán được rằng trong tương lai, các nghiên cứu y khoa sẽ cần bệnh nhân thực tế trong những nghiên cứu giai đoạn cuối, nhưng các thử nghiệm in silico sẽ cho phép thực hiện các đánh giá đầu tiên nhanh chóng và ít tốn kém về tính an toàn và hiệu quả, giảm đáng kể số lượng người cần để thử nghiệm.

Với các cơ quan ảo, việc lập mô hình bắt đầu bằng cách đưa dữ liệu giải phẫu là những hình ảnh độ phân giải cao không xâm lấn các cơ quan của bệnh nhân vào một mô hình toán học phức tạp các cơ chế chi phối chức năng của cơ quan đó. Những thuật toán chạy trên các máy tính mạnh sẽ giải quyết các phương trình và ẩn số kết quả, tạo ra một cơ quan ảo hoạt động giống như cơ quan của cơ thể.

Các thử nghiệm lâm sàng in silico đã được tiến hành ở một mức độ nào đó. Ví dụ, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đang sử dụng mô phỏng máy tính thay cho các thử nghiệm trên người để đánh giá các hệ thống chụp X - quang tuyến vú mới. Cơ quan này cũng đã công bố hướng dẫn thiết kế các thử nghiệm thuốc và thiết bị trên cả bệnh nhân ảo.

Ngoài việc tăng tốc kết quả và giảm thiểu rủi ro của các thử nghiệm lâm sàng, y học in silico có thể được sử dụng thay thế cho các can thiệp rủi ro cần thiết để chẩn đoán hoặc lập kế hoạch điều trị một số bệnh. Ví dụ, HeartFlow Analysis, dịch vụ dựa trên đám mây được FDA chấp thuận, cho phép các bác sĩ lâm sàng xác định bệnh động mạch vành dựa trên hình ảnh CT tim bệnh nhân. Hệ thống HeartFlow sử dụng những hình ảnh này để xây dựng mô hình động lực học của máu chảy qua các mạch vành, từ đó xác định các tình trạng bất thường và mức độ nghiêm trọng của chúng. Nếu không có công nghệ này, các bác sĩ cần thực hiện chụp mạch xâm lấn để quyết định có can thiệp hay không. Thử nghiệm trên các mô hình kỹ thuật số của từng bệnh nhân cũng có thể giúp cá nhân hóa liệu pháp cho bất kỳ bệnh lý nào và đã được sử dụng trong điều trị bệnh tiểu đường.

Triết lý đằng sau y học in silico không phải là mới. Khả năng tạo và mô phỏng hoạt động của một vật thể trong hàng trăm điều kiện hoạt động đã là nền tảng của kỹ thuật này trong nhiều thập kỷ, chẳng hạn như thiết kế mạch điện tử, máy bay và các tòa nhà. Tuy nhiên, việc triển khai rộng rãi y học in silico trong nghiên cứu và điều trị y tế vẫn cò nhiều rào cản. Đầu tiên, năng lực dự đoán và độ tin cậy của công nghệ này phải được xác nhận và điều đó sẽ đòi hỏi một số tiến bộ. Chúng bao gồm việc tạo ra cơ sở dữ liệu y tế chất lượng cao với số lượng bệnh nhân lớn, đa dạng về sắc tộc, bao gồm cả phụ nữ và nam giới; sàng lọc các mô hình toán học để giải thích cho nhiều quá trình tương tác trong cơ thể; và cải tiến thêm các phương pháp trí tuệ nhân tạo được phát triển chủ yếu để nhận dạng giọng nói và hình ảnh dựa trên máy tính và cần được mở rộng để cung cấp những hiểu biết sâu sắc về sinh học. Cộng đồng khoa học và các đối tác trong ngành đang giải quyết những vấn đề này thông qua các sáng kiến như Dự án Trái tim Sống của Dassault Systèmes, Viện Sinh lý con người ảo về Nghiên cứu y sinh tích hợp và Healthcare NExT của Microsoft.

Trong những năm gần đây, FDA và các cơ quan quản lý châu Âu đã chấp thuận việc sử dụng thương mại đối với một số chẩn đoán dựa trên máy tính, nhưng việc đáp ứng các yêu cầu quy định đòi hỏi thời gian và tiền bạc đáng kể. Việc tạo ra nhu cầu cho các công cụ này là một thách thức do sự phức tạp của hệ sinh thái chăm sóc sức khỏe. Y học in silico phải có khả năng mang lại giá trị hiệu quả về chi phí cho bệnh nhân, bác sĩ lâm sàng và các tổ chức chăm sóc sức khỏe để đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ của họ.

4. ĐIỆN TOÁN KHÔNG GIAN  

Hãy tưởng tượng một người khoảng 80-89 tuổi sống một mình và sử dụng xe lăn. Tất cả các vật thể tượng trong nhà đều được lập danh mục kỹ thuật số; tất cả các cảm biến và thiết bị điều khiển các vật thể được kết nối Internet; và bản đồ số ngôi nhà của người ấy đã được tích hợp với bản đồ của các vật thể. Khi người ấy di chuyển từ phòng ngủ sang nhà bếp, đèn bật sáng và lúc đó nhiệt độ môi trường được điều chỉnh. Ghế sẽ di chuyển chậm lại nếu có con mèo băng qua. Khi đến nhà bếp, bàn di chuyển để người ấy có thể đi đến tủ lạnh và bếp nấu dễ dàng hơn, sau đó di chuyển trở lại khi đồ ăn đã sẵn sàng. Sau đó, nếu người ấy ngả xuống giường để đi ngủ, đồ đạc của người ấy sẽ thay đổi để bảo vệ người ấy và một thông báo sẽ được gửi đến người con và trạm giám sát địa phương.

“Điện toán không gian”, trung tâm của khung cảnh này, là bước tiếp theo trong sự hội tụ liên tục của thế giới vật lý và kỹ thuật số. Nó thực hiện mọi thứ mà các ứng dụng thực tế ảo và thực tế tăng cường làm: số hóa các đối tượng kết nối qua đám mây; cho phép cảm biến và động cơ tương tác với nhau; và hiển thị thế giới thực dưới dạng kỹ thuật số. Sau đó, điện toán không gian kết hợp những khả năng này với việc lập bản đồ không gian có độ trung thực cao cho phép một “điều phối viên” máy tính theo dõi và kiểm soát các chuyển động và tương tác của các đối tượng như một người điều hướng qua thế giới kỹ thuật số hay vật lý. Điện toán không gian sẽ sớm đưa các tương tác người - máy và máy - máy lên mức hiệu quả mới trong nhiều tầng lớp xã hội, trong đó có ngành công nghiệp, chăm sóc sức khỏe, giao thông vận tải và gia đình. Các công ty lớn, bao gồm Microsoft và Amazon, đang đầu tư rất nhiều vào công nghệ này.

Cũng giống như thực tế ảo và thực tế tăng cường, điện toán không gian được xây dựng dựa trên khái niệm “bản sao kỹ thuật số” quen thuộc từ phầm mềm máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD). Trong CAD, các kỹ sư tạo ra một biểu diễn kỹ thuật số của một đối tượng. Cặp bản sao này có thể được sử dụng đa dạng để in 3D đối tượng, thiết kế các phiên bản mới của nó, cung cấp đào tạo ảo cho nó hoặc kết hợp nó với các đối tượng kỹ thuật số khác để tạo ra thế giới ảo. Điện toán không gian tạo ra các bản sao kỹ thuật số không chỉ của các vật thể mà còn của con người và vị trí - sử dụng GPS, lidar (kỹ thuật đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu sáng mục tiêu đó bằng một tia laze và đo các xung phản xạ bằng một cảm biến), video và các công nghệ định vị vị trí khác để tạo ra bản đồ kỹ thuật số của một căn phòng, một tòa nhà hoặc thành phố. Các thuật toán phần mềm tích hợp bản đồ kỹ thuật số này với dữ liệu cảm biến và biểu diễn kỹ thuật số của các đối tượng và con người để tạo ra một thế giới kỹ thuật số có thể được quan sát, định lượng và thao tác và cũng có thể thao tác thế giới thực.

Trong lĩnh vực y tế, hãy xem xét kịch bản tương lai: Một đội y tế được cử đến một căn hộ trong thành phố để xử lý một bệnh nhân có thể cần phẫu thuật khẩn cấp. Khi hệ thống gửi hồ sơ y tế của bệnh nhân và cập nhật theo thời gian thực đến thiết bị di động của kỹ thuật viên và đến phòng cấp cứu, nó cũng xác định tuyến đường lái xe nhanh nhất để đến được với người đó. Đèn đỏ ngăn dòng xe cộ qua lại và khi xe cứu thương chạy tới, cửa vào của tòa nhà mở ra, để lộ một thang máy đã vào vị trí chờ. Bệnh nhân được đưa đến bệnh viện khi các nhân viên y tế nhanh chóng mang theo cáng. Khi hệ thống hướng dẫn họ đến phòng mổ thông qua con đường nhanh nhất, một nhóm phẫu thuật sử dụng tính toán không gian và thực tế tăng cường để vạch ra hoạt động của toàn bộ phòng phẫu thuật hoặc lập kế hoạch cho lộ trình phẫu thuật trên cơ thể bệnh nhân này.

Ngành công nghiệp đã chấp nhận sự tích hợp của các cảm biến chuyên dụng, bản sao kỹ thuật số và Internet vạn vật để tối ưu hóa năng suất và có thể sẽ là một ứng dụng sớm của điện toán không gian. Công nghệ này có thể bổ sung tính năng theo dõi dựa trên vị trí cho một phần thiết bị hoặc toàn bộ nhà máy. Bằng cách đeo tai nghe thực tế tăng cường hoặc xem hình ảnh nổi ba chiều được chiếu không chỉ hiển thị hướng dẫn sửa chữa mà còn hiển thị bản đồ không gian của các thành phần máy móc, công nhân có thể được hướng dẫn để sửa chữa nó hiệu quả nhất có thể - rút ngắn thời gian và chi phí. Hoặc nếu một kỹ thuật viên đang tương tác với phiên bản thực tế ảo của một địa điểm thực sự rất xa để chỉ đạo một số robot đang xây dựng nhà máy, thì các thuật toán điện toán không gian có thể giúp tối ưu hóa độ an toàn, hiệu quả và chất lượng của công việc bằng cách cải thiện, ví dụ: sự phối hợp của các robot và lựa chọn các nhiệm vụ được giao cho chúng. Trong một kịch bản phổ biến hơn, các công ty bán lẻ và thức ăn nhanh có thể kết hợp tính toán không gian với các kỹ thuật công nghiệp tiêu chuẩn (chẳng hạn như phân tích thời gian thao tác) để nâng cao quy trình làm việc hiệu quả.

5. Y HỌC KỸ THUẬT SỐ

Một loạt các ứng dụng đang được sử dụng hoặc đang được phát triển hiện có thể phát hiện hoặc theo dõi các rối loạn tâm thần và thể chất một cách tự động hoặc trực tiếp quản lý các liệu pháp điều trị. Được gọi chung là y học kỹ thuật số, phần mềm này vừa có thể tăng cường chăm sóc y tế truyền thống vừa hỗ trợ bệnh nhân khi khả năng tiếp cận dịch vụ chăm sóc sức khỏe bị hạn chế - một nhu cầu mà cuộc khủng hoảng COVID-19 đã làm gia tăng.

Nhiều công cụ hỗ trợ phát hiện dựa vào thiết bị di động để ghi lại các đặc điểm như giọng nói, vị trí, nét mặt, hoạt động tập thể dục, ngủ và nhắn tin của người dùng. Sau đó, dựa trên trí tuệ nhân tạo, chúng phát hiện sự khởi phát hoặc sự trầm trọng của một bệnh. Ví dụ, một số đồng hồ thông minh có chứa cảm biến tự động phát hiện và cảnh báo mọi người về chứng rung nhĩ, nhịp tim nguy hiểm. Các công cụ tương tự đang được tiến hành để sàng lọc các chứng rối loạn nhịp thở, trầm cảm, Parkinson, Alzheimer, tự kỷ và các bệnh khác. Những công cụ hỗ trợ phát hiện này sẽ không sớm thay thế được bác sĩ nhưng có thể là những đối tác hữu ích trong việc làm nổi bật những lo ngại cần theo dõi. Các thiết bị hỗ trợ phát hiện cũng có thể ở dạng viên thuốc có thể nuốt vào bụng, mang cảm biến, được gọi là thiết bị vi sinh điện tử. Một số loại đang được phát triển để phát hiện ví dụ như ADN ung thư, các loại khí do vi khuẩn đường ruột thải ra, chảy máu dạ dày, nhiệt độ cơ thể và nồng độ oxy. Những cảm biến này chuyển dữ liệu đến các ứng dụng để ghi lại.

Các ứng dụng trị liệu cũng được thiết kế cho nhiều loại rối loạn. Phương pháp điều trị kỹ thuật số theo toa đầu tiên được FDA chấp thuận là công nghệ reSET của Pear Therapeutics điều trị chứng rối loạn do sử dụng chất gây nghiện. Được chấp thuận vào năm 2018 như một phụ tá chăm sóc, reSET cung cấp liệu pháp hành vi nhận thức 24/7 và cung cấp cho các bác sĩ lâm sàng dữ liệu thời gian thực về cảm giác thèm ăn và kích thích của bệnh nhân. Somryst, một ứng dụng trị liệu chứng mất ngủ, và EndeavourRX, liệu pháp đầu tiên được cung cấp dưới dạng trò chơi điện tử dành cho trẻ em mắc chứng rối loạn tăng động giảm chú ý, đã nhận được giấy phép của FDA vào đầu năm 2020.

Sắp tới, Luminopia, một công ty khởi nghiệp về y tế dành cho trẻ em, đã thiết kế một ứng dụng thực tế ảo để điều trị chứng nhược thị (hay còn gọi là mắt lười), một giải pháp thay thế cho băng che mắt. Một ngày nào đó, các sinh viên đại học có thể nhận được cảnh báo từ chiếc đồng hồ thông minh đề xuất rằng họ cần tìm kiếm sự trợ giúp cho chứng trầm cảm nhẹ sau khi đồng hồ phát hiện những thay đổi trong cách nói và cách giao tiếp xã hội; sau đó họ có thể chuyển sang bot trò chuyện Woebot để được tư vấn liệu pháp hành vi nhận thức.

Không phải tất cả các ứng dụng chăm sóc sức khỏe đều đủ điều kiện là y học kỹ thuật số. Phần lớn, các phương pháp nhằm chẩn đoán hoặc điều trị các rối loạn phải được chứng minh là an toàn và hiệu quả trong các thử nghiệm lâm sàng và nhận được sự chấp thuận của cơ quan quản lý; một số có thể cần đơn thuốc của bác sĩ. (Vào tháng 4 năm 2020, để giúp đối phó với đại dịch COVID-19, FDA đã đưa ra các ngoại lệ tạm thời cho các thiết bị chăm sóc sức khỏe tâm thần có nguy cơ thấp).

COVID-19 làm nổi bật tầm quan trọng của y học kỹ thuật số. Khi đại dịch này bùng phát, hàng chục ứng dụng để phát hiện trầm cảm và tư vấn đã có sẵn. Ngoài ra, các bệnh viện và cơ quan chính phủ trên toàn cầu đã triển khai các biến thể của dịch vụ Healthcare Bot của Microsoft. Thay vì chờ đợi trung tâm cấp cứu hoặc mạo hiểm đến phòng cấp cứu, những người lo lắng về tình trạng bệnh của họ, chẳng hạn như ho và sốt, có thể trò chuyện với một bot, sử dụng xử lý ngôn ngữ tự nhiên để hỏi về các triệu chứng và dựa trên phân tích trí tuệ nhân tạo, có thể mô tả các nguyên nhân có thể xảy ra hoặc bắt đầu một phiên điều trị y tế từ xa để bác sĩ đánh giá. Vào cuối tháng 4, các bot đã thực hiện hơn 200 triệu câu hỏi về các triệu chứng và phương pháp điều trị COVID. Những can thiệp như vậy làm giảm đáng kể áp lực cho hệ thống y tế.

Rõ ràng, xã hội phải cẩn trọng bước vào tương lai của y học kỹ thuật số - đảm bảo rằng các công cụ này phải trải qua quá trình kiểm tra nghiêm ngặt, bảo vệ quyền riêng tư và tích hợp suôn sẻ vào công việc của bác sĩ. Với những biện pháp bảo vệ như vậy, kỹ thuật số và phương pháp trị liệu có thể tiết kiệm chi phí chăm sóc sức khỏe bằng cách cải thiện các hành vi không lành mạnh và giúp mọi người thay đổi trước khi bệnh tật phát sinh. Hơn nữa, việc áp dụng trí tuệ nhân tạo vào các bộ dữ liệu lớn được tạo ra bởi các ứng dụng điều trị kỹ thuật số sẽ hữu ích để cá nhân hóa việc chăm sóc bệnh nhân. Các mô hình xuất hiện cũng sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu những ý tưởng mới về cách tốt nhất để xây dựng thói quen lành mạnh và ngăn ngừa bệnh tật.

6. MÁY BAY ĐIỆN

Năm 2019, du lịch hàng không chiếm 2,5% lượng phát thải carbon toàn cầu, con số này có thể tăng gấp ba lần vào năm 2050. Trong khi một số hãng hàng không đã bắt đầu bù đắp những đóng góp của họ cho lượng carbon trong khí quyển thì lượng phát thải này vẫn cần phải cắt giảm đáng kể. Máy bay điện có thể cung cấp quy mô chuyển đổi cần thiết và nhiều công ty đang chạy đua để phát triển chúng. Động cơ đẩy chạy bằng điện không chỉ giúp loại bỏ khí thải carbon trực tiếp mà còn có thể giảm tới 90% chi phí nhiên liệu, tới 50% chi phí bảo trì và giảm gần 70% tiếng ồn.

Trong số các công ty nghiên cứu máy bay điện có Airbus, Ampaire, MagniX và Efining. Tất cả đều là máy bay thử nghiệm bay dành cho các chuyến đi tư nhân, công ty hoặc đi lại và đang xin chứng nhận từ Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ. Cape Air, một trong những hãng hàng không lớn nhất trong khu vực, dự kiến sẽ là một trong những khách hàng đầu tiên, có kế hoạch mua máy bay điện 9 chỗ ngồi Alice từ Efining. Giám đốc điều hành của Cape Air, Dan Wolf, cho biết ông không chỉ quan tâm đến lợi ích môi trường mà còn tiết kiệm chi phí vận hành. Động cơ điện nói chung có tuổi thọ cao hơn so với động cơ chạy bằng nhiên liệu hydrocacbon trong các máy bay hiện nay: chúng cần đại tu khi bay 20.000 giờ so với 2.000 giờ.

Động cơ đẩy - tiến không phải là động cơ duy nhất chạy bằng điện. Máy bay điện X-57 Maxwell của NASA, đang được phát triển, thay thế các cánh thông thường bằng các cánh ngắn hơn có trang bị một bộ cánh quạt điện phân tán. Trên máy bay phản lực thông thường, cánh phải đủ lớn để tạo lực nâng khi máy bay di chuyển ở tốc độ thấp, nhưng diện tích bề mặt lớn sẽ tạo thêm lực cản ở tốc độ cao hơn. Cánh quạt điện giúp tăng lực nâng trong quá trình cất cánh, cho phép cánh nhỏ hơn và hiệu suất tổng thể cao hơn.

Trong tương lai gần, cự li bay của máy bay điện vẫn còn bị hạn chế. Các loại pin tốt nhất hiện nay có mật độ năng lượng thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống: mật độ năng lượng 250 watt-giờ/kg so với 12.000 watt-giờ/kg đối với nhiên liệu máy bay. Do đó, pin cần cho một chuyến bay nhất định nặng hơn nhiều so với nhiên liệu tiêu chuẩn và chiếm nhiều không gian hơn. Khoảng một nửa chuyến bay trên toàn cầu có cự ly dưới 800 km, dự kiến sẽ nằm trong phạm vi hoạt động của máy bay điện chạy bằng pin vào năm 2025.

Mặc dù máy bay điện phải đối mặt với các rào cản về chi phí và quy định, nhưng các nhà đầu tư, cơ sở ươm tạo, tập đoàn và chính phủ vẫn đang đầu tư đáng kể để phát triển công nghệ này - khoảng 250 triệu USD đã được rót vào các công ty khởi nghiệp máy bay điện từ năm 2017 - 2019. Hiện tại, khoảng 170 dự án máy bay điện đang được triển khai. Hầu hết các máy bay điện được thiết kế cho các chuyến bay tư nhân, công ty và đi lại, nhưng Airbus cho biết họ có kế hoạch sẵn sàng cung cấp 100 phiên bản chở khách vào năm 2030.

7. XI MĂNG CACBON THẤP HƠN

Bê tông là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất, định hình phần lớn các công trình xây dựng trên thế giới. Tuy nhiên, theo tổ chức nghiên cứu Chatham House có trụ sở tại London, việc sản xuất một trong những thành phần quan trọng của xi măng tạo ra lượng carbon dioxide đáng kể nhưng không được đánh giá đúng mức: chiếm tới 8% tổng lượng phát thải toàn cầu. Người ta nói rằng nếu ngành sản xuất xi măng là một quốc gia, thì nước này sẽ là nước phát thải lớn thứ ba sau Trung Quốc và Hoa Kỳ. Hiện nay, 4 tỷ tấn xi măng được sản xuất mỗi năm, nhưng do tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng, con số đó dự kiến sẽ tăng lên 5 tỷ tấn trong vòng 30 năm tới. Khí thải từ sản xuất xi măng là do nhiên liệu hóa thạch được sử dụng để tạo ra nhiệt cho quá trình hình thành xi măng, cũng như từ quá trình hóa học trong lò biến đá vôi thành clinker, sau đó được nghiền và kết hợp với các vật liệu khác để tạo ra xi măng. 

Mặc dù ngành xây dựng thường đưa ra nhiều lý do trong đó có sự an toàn và độ tin cậy, tuy nhiên áp lực đối với việc giảm sự đóng góp của ngành này vào biến đổi khí hậu có thể đẩy nhanh việc giảm thiểu phát thải. Vào năm 2018, Hiệp hội Bê tông và Xi măng toàn cầu, chiếm khoảng 30% sản lượng trên toàn thế giới, đã công bố Hướng dẫn Bền vững đầu tiên của ngành, một tập hợp các phép đo chính như khí thải và sử dụng nước nhằm theo dõi các cải tiến về hiệu suất và làm cho chúng minh bạch.

Trong khi đó, nhiều phương pháp tiếp cận carbon thấp hơn đang được theo đuổi, với một số phương pháp đã được áp dụng. Công ty khởi nghiệp Solidia ở Piscataway, New Jersey, đang sử dụng một quy trình hóa học được cấp phép từ Đại học Rutgers nhằm cắt giảm 30% lượng carbon dioxide phát thải trong quá trình sản xuất xi măng. Công thức này sử dụng nhiều đất sét hơn, ít đá vôi hơn và ít nhiệt hơn các quy trình điển hình. Công ty CarbonCure ở Nova Scotia, miền

Đông Canada tái chế carbon dioxide thu được từ các quy trình công nghiệp khác thành bê tông thông qua quá trình khoáng hóa thay vì giải phóng nó vào khí quyển như một sản phẩm phụ.

Công ty CarbiCrete có trụ sở tại Montreal hoàn toàn không sử dụng xi măng trong bê tông, thay thế xi măng bằng một sản phẩm phụ của quá trình luyện thép được gọi là xỉ thép. Và Norcem, một nhà sản xuất xi măng lớn ở Na Uy, đang đặt mục tiêu biến một trong những nhà máy của mình thành nhà máy sản xuất xi măng không khí thải đầu tiên trên thế giới. Nhà máy này đã sử dụng nhiên liệu thay thế từ chất thải và dự định bổ sung công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon để loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải vào năm 2030.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã kết hợp vi khuẩn vào công thức sản xuất bê tông để hấp thụ carbon dioxide từ không khí và cải thiện các đặc tính của nó. Các công ty khởi nghiệp theo đuổi vật liệu xây dựng “sống” bao gồm BioMason ở Raleigh, Bắc Carolina, công ty “trồng” những viên gạch giống như xi măng bằng cách sử dụng vi khuẩn và các hạt được gọi là cốt liệu. Và trong một sáng tạo do Cơ quan quản lý Dự án nghiên cứu tiên tiến quốc phòng tài trợ và được công bố vào tháng 2/2020 trên tạp chí Matter, các nhà nghiên cứu tại Đại học Colorado Boulder đã sử dụng vi khuẩn quang hợp gọi là vi khuẩn lam để tạo ra một loại bê tông phát thải carbon thấp hơn. Họ đã cấy vi khuẩn vào các khung bằng cát hydrogel để tạo ra những viên gạch có khả năng tự chữa lành vết nứt. Những viên gạch này không thể thay thế xi măng và bê tông trong tất cả các ứng dụng hiện nay. Tuy nhiên, một ngày nào đó chúng có thể thay thế các vật liệu nhẹ, chịu lực, chẳng hạn như vật liệu dùng để lát, mặt tiền và các công trình tạm thời.

8. CẢM BIẾN LƯỢNG TỬ

Các cảm biến lượng tử có khoảng thời gian chuyển đổi trạng thái không thay đổi, cho phép những phương tiện tự hành có thể "quan sát" xung quanh các góc, các hệ thống định vị dưới nước, hệ thống cảnh báo sớm về hoạt động của núi lửa và động đất và máy quét di động theo dõi hoạt động của não người trong cuộc sống hàng ngày. Cảm biến lượng tử đạt được mức độ chính xác vô cùng cao nhờ khai thác bản chất lượng tử của vật chất - ví dụ, sử dụng sự khác biệt giữa các electron ở những trạng thái năng lượng khác nhau làm đơn vị cơ sở. Đồng hồ nguyên tử là một ví dụ hoạt động dựa trên nguyên tắc này. Thời gian tiêu chuẩn trên thế giới được điều chỉnh dựa trên thực tế là trong một giây, các electron trong nguyên tử xêzi 133 hoàn thành một quá trình nhảy từ mức năng lượng thấp lên cao và ngược lại 9.192.631.770 lần. Các cảm biến lượng tử khác sử dụng quá trình chuyển đổi mức năng lượng của nguyên tử để phát hiện những thay đổi nhỏ trong chuyển động và những khác biệt nhỏ trong trường hấp dẫn, điện trường và từ trường.

Tuy nhiên, có nhiều cách khác để chế tạo cảm biến lượng tử. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Birmingham, Vương quốc Anh, đang nghiên cứu phát triển các nguyên tử siêu lạnh, rơi tự do để phát hiện những thay đổi nhỏ trong trọng lực cục bộ. Loại máy đo trọng lực lượng tử này có khả năng phát hiện các đường ống, dây cáp và các vật thể khác bị chôn vùi mà ngày nay chỉ có thể tìm thấy một cách đáng tin cậy bằng cách đào lên. Tàu đi biển có thể sử dụng công nghệ tương tự để phát hiện những vật thể dưới nước.

Hầu hết các hệ thống cảm biến lượng tử vẫn đắt tiền, cồng kềnh và phức tạp, nhưng một thế hệ cảm biến mới nhỏ hơn, giá cả phải chăng hơn sẽ mở ra các ứng dụng mới. Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts vào năm 2019 đã sử dụng các phương pháp chế tạo thông thường để đặt một cảm biến lượng tử được chế tạo từ kim cương lên một chip silic, ép nhiều thành phần cồng kềnh thành một hình vuông rộng vài phần mười milimét. Nguyên mẫu này là một bước tiến hướng tới các cảm biến lượng tử chi phí thấp, được sản xuất hàng loạt, hoạt động ở nhiệt độ phòng và có thể được sử dụng cho bất kỳ ứng dụng nào liên quan đến việc thực hiện các phép đo lường siêu chính xác các từ trường yếu. Các hệ thống lượng tử vẫn rất dễ bị nhiễu loạn, điều này có thể hạn chế ứng dụng của chúng trong các môi trường được kiểm soát. Mặc dù vậy, các chính phủ và các nhà đầu tư tư nhân vẫn đang rót tiền vào các nghiên cứu này và để giải quyết những thách thức khác, bao gồm cả những thách thức về chi phí, quy mô và độ phức tạp. Chẳng hạn, Vương quốc Anh đã đầu tư 315 triệu bảng Anh vào giai đoạn 2 của Chương trình Điện toán Lượng tử Quốc gia (2019-2024). Các nhà phân tích trong ngành công nghiệp hy vọng cảm biến lượng tử sẽ tiếp cận thị trường trong 3-5 năm tới, với trọng tâm ban đầu là y tế và ứng dụng quốc phòng.

9. HYDRO XANH

 Khi hydro cháy tạo ra sản phẩm phụ duy nhất là nước - đó là lý do tại sao hydro là nguồn năng lượng không carbon hấp dẫn trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, các quy trình truyền thống để sản xuất hydro, trong đó nhiên liệu hóa thạch tiếp xúc với hơi nước, không phải là hoàn toàn không phát thải carbon. Hydro được tạo ra theo cách này được gọi là hydro xám; nếu CO₂ được thu giữ và cô lập, nó được gọi là hydro lam.

Hydro xanh có thể sẽ là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong tương lai

Hydro xanh thì khác. Nó được sản xuất thông qua quá trình điện phân, trong đó các máy móc tách nước thành hydro và oxy mà không có sản phẩm phụ nào khác. Trong lịch sử, quá trình điện phân đòi hỏi rất nhiều điện nên việc sản xuất hydro theo cách đó không mang lại mấy lợi ích. Tình hình đang thay đổi vì hai lý do. Thứ nhất, lượng điện tái tạo dư thừa đáng kể đã có sẵn ở quy mô lưới điện; thay vì tích trữ lượng điện dư thừa trong pin, lượng điện thừa có thể được sử dụng để thúc đẩy quá trình điện phân nước, “tích trữ” điện năng ở dạng hydro. Thứ hai, máy điện phân ngày càng hiệu quả hơn.

Các công ty đang nghiên cứu để phát triển các chất điện phân có thể tạo ra hydro xanh với giá rẻ như hydro xám hoặc lam và các nhà phân tích kỳ vọng họ sẽ đạt được mục tiêu đó trong thập kỷ tới.

Trong khi đó, các công ty năng lượng đang bắt đầu tích hợp máy điện phân trực tiếp vào các dự án điện tái tạo. Ví dụ, một nhóm các công ty thực hiện một dự án mang tên Gigastack có kế hoạch xây trang trại gió Hornsea Two ngoài khơi bờ biển Yorkshire (Vương quốc Anh) công suất 100 megawatt điện phân để tạo ra hydro xanh ở quy mô công nghiệp.

Các công nghệ tái tạo hiện tại như năng lượng mặt trời và gió có thể làm giảm lượng cacbon phát thải trong ngành năng lượng tới 85% bằng cách thay thế khí đốt và than bằng điện sạch. Các khu vực khác của nền kinh tế, chẳng hạn như vận chuyển và sản xuất, khó điện khí hóa hơn vì chúng thường cần nhiên liệu có mật độ năng lượng cao hoặc nhiệt ở nhiệt độ cao.

Hydro xanh có tiềm năng trong các lĩnh vực này. Ủy ban Chuyển đổi Năng lượng cho biết hydro xanh là một trong bốn công nghệ cần thiết để đáp ứng các mục tiêu của Thỏa thuận Paris về giảm hơn 10 gigatonnes CO₂ mỗi năm từ các lĩnh vực công nghiệp thách thức nhất, trong số đó có khai thác mỏ, xây dựng và hóa chất.

10. TỔNG HỢP TOÀN BỘ BỘ GEN

Đầu đại dịch COVID-19, các nhà khoa học Trung Quốc đã tải trình tự gen của virus này (bản thiết kế để sản xuất ra nó) lên cơ sở dữ liệu di truyền. Một nhóm các nhà khoa học Thụy Sĩ sau đó đã tổng hợp toàn bộ bộ gen và tạo ra virus từ đó - về cơ bản đưa virus vào phòng thí nghiệm để nghiên cứu mà không cần phải đợi lấy mẫu thực tế. Tốc độ như vậy là một ví dụ về cách in toàn bộ bộ gen đang thúc đẩy y học và những nỗ lực khác.

Tổng hợp toàn bộ bộ gen là một phần mở rộng của lĩnh vực sinh học tổng hợp đang bùng nổ. Các nhà nghiên cứu sử dụng phần mềm để thiết kế trình tự di truyền mà họ sản xuất và đưa vào vi khuẩn, do đó lập trình lại vi khuẩn để thực hiện công việc mong muốn - chẳng hạn như tạo ra một loại thuốc mới. Cho đến nay, các bộ gen chủ yếu mới chỉ được chỉnh sửa một chút. Nhưng những cải tiến trong công nghệ tổng hợp và phần mềm cho phép có thể in những dải vật liệu di truyền lớn hơn bao giờ hết và thay đổi bộ gen nhiều hơn. Bộ gen của virus, vốn rất nhỏ, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 2002 với khoảng 7.500 nucleotide (các chữ cái mã hóa) của poliovirus. Cũng như coronavirus, các bộ gen virus tổng hợp này đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách thức lây lan và gây bệnh của các loại virus liên quan. Một số đang được thiết kế để phục vụ cho việc sản xuất vắc xin và liệu pháp miễn dịch.

Các nhà khoa học cũng có thể giải mã các bộ gen chứa hàng triệu nucleotide, như ở vi khuẩn và nấm men. Vào năm 2019, một nhóm nghiên cứu đã in một phiên bản của bộ gen Escherichia coli, một nhóm khác đã tạo ra phiên bản ban đầu của bộ gen men bia, bao gồm gần 11 triệu chữ cái mã hóa.

Việc thiết kế và tổng hợp bộ gen ở quy mô này cho phép vi khuẩn đóng vai trò là nhà máy sản xuất không chỉ thuốc mà còn bất kỳ chất nào. Chúng có thể được thiết kế để sản xuất bền vững hóa chất, nhiên liệu và vật liệu xây dựng mới từ sinh khối phi thực phẩm hoặc thậm chí là khí thải như CO₂.

Nhiều nhà khoa học muốn có khả năng giải mã các bộ gen lớn hơn, chẳng hạn như bộ gen của thực vật, động vật và con người. Để làm được điều này, các phần mềm thiết kế (rất có thể kết hợp trí tuệ nhân tạo) và các phương pháp nhanh hơn, rẻ hơn cần được đầu tư nhiều hơn để tổng hợp và lắp ráp trình tự ADN dài ít nhất hàng triệu nucleotide.

Nếu được tài trợ đầy đủ, việc giải mã các bộ gen ở quy mô hàng tỷ nucleotide có thể trở thành hiện thực trước cuối thập kỷ này. Các nhà nghiên cứu đang nghĩ đến nhiều ứng dụng, bao gồm việc thiết kế các loại cây chống lại mầm bệnh và một dòng tế bào siêu an toàn của con người - chẳng hạn, đối với nhiễm virus, ung thư và phóng xạ - có thể là cơ sở cho các liệu pháp dựa trên tế bào hoặc để sản xuất sinh học.

Bộ gen của con người chắc chắn sẽ được giải mã, cho phép các bác sĩ chữa khỏi nhiều bệnh di truyền, nếu không muốn nói là tất cả.Tất nhiên, kỹ thuật giải mã toàn bộ bộ gen có thể bị lạm dụng, với mỗi quan ngại chính là các mầm bệnh trở thành vũ khí hoặc các thành phần tạo ra độc tố của chúng.

Các nhà khoa học và kỹ sư cần phát triển một biện pháp bảo mật sinh học toàn diện, một tập hợp các công nghệ hiện có và mới có thể phát hiện và theo dõi sự lây lan của các mối đe dọa mới trong thực tế. Các nhà nghiên cứu sẽ cần phải phát triển các chiến lược kiểm tra có thể mở rộng quy mô nhanh chóng. Điều quan trọng là các chính phủ trên thế giới phải hợp tác nhiều hơn hiện tại.

Genome Project-write, một liên hợp thành lập năm 2016 để hỗ trợ mạng lưới an toàn này. Dự án bao gồm hàng trăm nhà khoa học, kỹ sư và nhà đạo đức học từ hơn một chục quốc gia phát triển công nghệ, chia sẻ các phương pháp hay nhất, thực hiện các dự án thử nghiệm và khám phá các tác động về đạo đức, luật pháp và xã hội.

Nguồn: Bản tin KNĐMST - Cục thông tin khoa học và công nghệ quốc gia

Sưu tầm: Lưu Bá Mạc