Tiến sĩ Việt phát triển chân sinh học cho người tàn tật

Chân giả sinh học Utah (Utah Bionic Leg) được TS Minh cùng các cộng sự ở HGN Lab, Đại học Utah (Mỹ) bắt đầu chế tạo từ năm 2017. Chân được thiết kế nặng 3 kg, bằng một nửa những loại chân giả khác trên thị trường. Chiều dài của chân có thể thay đổi tùy theo chiều cao của người dùng và độ dài của phần chi bị cụt. Thiết bị được thiết kế để hỗ trợ vận động hiệu quả cho mọi người dùng với cân nặng dưới 125 kg.

TS Lukas Grabert, thành viên HGN Lab, cho biết nhóm đã nghiên cứu về cơ chế hoạt động của đôi chân con người và nhận thấy, để vận động nhanh nhẹn, hiệu quả là nhờ động lực thụ động. Tức là khi quán tính và trọng lực tương tác với các chi trong lúc di chuyển. Dựa vào cơ chế này, nhóm thiết kế hệ thống truyền động trong chân sinh học, giúp điều chỉnh thụ động cấu hình của chân khi di chuyển.

Video: Kênh YouTube của Trường Cao đẳng Kỹ thuật John và Marcia Price thuộc Đại học Utah

Sản phẩm gồm hai phần chính là khớp gối và khớp mắt cá, bàn chân. Mỗi khớp đều được trang bị động cơ điện, cảm biến, bộ vi xử lý, hệ thống pin, mạch điện và trí tuệ nhân tạo (AI). Các bộ phận này hoạt động đồng bộ để thực hiện tất cả chức năng vận động chính của chân như: đi lại, đứng lên, ngồi xuống, di chuyển trên dốc và cầu thang.

Chân được thiết kế hệ truyền động thông minh chuyên biệt ở 3 bộ phận. Ở phần khớp gối có chức năng tối ưu hoá công suất hoạt động và tiết kiệm pin. Ở phần khớp mắt cá/bàn chân hệ truyền động được phát triển dựa trên hệ thống gân ở bàn chân người. Cuối cùng, khớp mắt cá/bàn chân được kết nối với khớp ngón chân bởi hệ thống lò xo giúp hỗ trợ bệnh nhân vận động tự nhiên và thăng bằng trên nhiều bề mặt đường và điều kiện thời tiết khác nhau.

Khi người dùng di chuyển, các cảm biến và hệ thống được trang bị trong chân sinh học sẽ truyền thông tin tới bộ vi xử lý AI về trạng thái hoạt động và mức độ di chuyển. Hệ thống sẽ xác định ý định của người dùng để đưa ra mức hỗ trợ phù hợp. Sản phẩm còn có chế độ hoạt động năng lượng thấp trong thời gian dài, nhờ đó người dùng có thể duy trì vận động mà không bị mất sức.

TS Minh cho biết, các sản phẩm chân giả đều cần lắp đặt ở bệnh viện để bác sĩ và chuyên viên căn chỉnh theo chiều cao, cân nặng của bệnh nhân và hướng dẫn di chuyển an toàn.

Theo nhóm nghiên cứu, các loại chân giả hiện có trên thị trường được thiết kế như một bộ phận giảm xóc và bị động về mặt cơ học. Nghĩa là chúng không có động cơ và khả năng vận động linh hoạt như chân của người lành lặn. Các sản phẩm này đòi hỏi bệnh nhân có thể trạng tốt và mất nhiều thời gian để làm quen.

Chân sinh học Utah khắc phục những hạn chế của các loại chân giả truyền thống. Các kỹ sư của HGN Lab đã thiết kế chi tiết cơ khí và mạch điện, sau đó đem đi gia công theo yêu cầu. Những chi tiết này được chuyển đến phòng thí nghiệm để lắp ráp, cài đặt phần mềm và tinh chỉnh nhằm tối ưu hóa công năng. "Với chân sinh học Utah, quá trình người dùng làm quen sẽ nhanh hơn vì có hệ thống trợ lực", TS Minh nói.

Thử nghiệm thiết bị trên hơn 20 bệnh nhân từ năm 2020, nhóm nghiên cứu cho biết người dùng phản hồi tích cực. Nhiều bệnh nhân có thể thực hiện những vận động thiết yếu mà họ không thể làm với chân giả thông thường như lên xuống cầu thang, hay tự ngồi dậy mà không cần người hỗ trợ.

"Sản phẩm của nhóm là chân sinh học đầu tiên trên thế giới giúp một người bị cụt cả hai chi có thể đi lại thoải mái", TS Minh nói. Kết quả thử nghiệm của nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín như Science, Scientific Report và IEEE Transactions.

GS Tommaso Lenzi, Đại học Utah, giảng viên hướng dẫn, nhận định, giới khoa học từng nghiên cứu công nghệ chi giả từ những năm 1970 nhưng chưa đạt được mục tiêu. Hiện công nghệ cơ điện tử đã tiến bộ hơn khi pin vi xử lý động cơ điện ngày càng nhanh, nhỏ gọn và nhẹ. Tận dụng sự phát triển công nghệ và phát hiện về động lực thụ động, sản phẩm chân giả sinh học Utah của nhóm "với kích cỡ nhỏ gọn, sẽ giúp bệnh nhân bị cụt chân có thể di chuyển độc lập và tự do theo đuổi các mục tiêu trong cuộc sống", GS Tommaso Lenzi đánh giá.

TS Minh cho biết, nhóm tiếp tục thí nghiệm kiểm chứng tính khả thi của chân giả Utah khi người dùng sử dụng tại nhà riêng trong thời gian dài. Hiện HGN Lab cộng tác với Otto Bock, nhà sản xuất chi giả lớn nhất thế giới có trụ sở tại Đức, để sản xuất đại trà chân sinh học Utah thành sản phẩm y tế đến người dùng trong thời gian ngắn nhất, với giá bán tương đương các mẫu chân giả truyền thống.

TS Trần Minh sinh ra và lớn lên tại Hà Nội. Minh hoàn thành chương trình phổ thông tại THPT chuyên Hà Nội - Amsterdam năm 2013. Anh sang Mỹ theo học cử nhân ngành kỹ thuật cơ khí Đại học Utah và nhận bằng tiến sĩ hồi tháng 5/2023. Năm 2015, TS Minh bắt đầu thiết kế robot với lĩnh vực nghiên cứu chính là các khớp chân tay linh hoạt và công năng cao. Hiện anh làm kỹ sư thiết kế cho công ty Agility Robotics chuyên sản xuất người máy ở Mỹ.