Công nghệ cảm biến lượng tử đang mở ra một kỷ nguyên mới trong việc phát triển thiết bị hỗ trợ cho người khuyết tật. Những thiết bị này có khả năng đo lường tín hiệu thần kinh qua da, cho phép điều khiển chân tay giả mà không cần can thiệp xâm lấn. Được nghiên cứu và ứng dụng bởi các nhà khoa học tại Stuttgart, cảm biến lượng tử là một giải pháp tiềm năng để cải thiện chất lượng cuộc sống của người sử dụng.
Các nhà khoa học ở Stuttgart đang sử dụng cảm biến lượng tử để phát hiện tín hiệu thần kinh ở chi của con người nhằm điều khiển chân tay giả, thay thế cho việc cấy ghép điện cực. Các từ kế lượng tử sẽ được mang bên ngoài cơ thể, đo lường các tín hiệu thần kinh qua da.
Các nhà khoa học đang sử dụng bộ số hóa (M5i.3357) và bộ tạo dạng sóng tùy ý (M4x.6631) của Spectrum Instrumentation để mô tả đặc điểm của các tín hiệu và cuối cùng thiết kế ASIC và mạch tích hợp quang tử (PIC) cần thiết.
Cảm biến lượng tử trên da thay vì điện cực bên trong cơ thể – mục tiêu mới để di chuyển chân tay giả
Giáo sư Tiến sĩ Jens Anders của Đại học Stuttgart, người phụ trách dự án ‘Cluster4Future QSens’ và là nhà khoa học hàng đầu của tập đoàn QHMI về phát triển công nghệ chân tay giả, giải thích: “Đây là một trong những ứng dụng thực tế đầu tiên cho đầu dò cảm biến lượng tử vì không có cách nào khác để phát hiện không xâm lấn những thay đổi từ tính nhỏ như vậy, ở mức 10 đến 100 picoTesla đối với cơ bắp: nhỏ hơn sáu bậc độ lớn so với từ trường Trái đất.
Các thử nghiệm của chúng tôi cho thấy rằng các cảm biến của chúng tôi đủ nhạy để có thể phát hiện các tín hiệu thần kinh đến cơ bắp qua da. Về nguyên tắc, ngay cả một lượng nhỏ cơ còn sót lại, chẳng hạn như cơ cẳng tay, cũng có thể được sử dụng cho việc này. Chúng tôi đang nghiên cứu độ nhạy thậm chí còn cao hơn đối với những thay đổi từ tính femtoTesla mà chúng tôi cần đo để phát hiện tín hiệu trong não mà không cần xuyên qua da.”

Cốt lõi của công nghệ này là một thiết bị cộng hưởng từ quang học (ODMR) được làm từ một lát kim cương nhỏ. Kim cương được pha tạp với cái gọi là trung tâm trống nitơ (trung tâm NV), có spin điện tử thực và do đó hoạt động giống như những thanh nam châm nhỏ. Khi chiếu ánh sáng laser xanh vào chúng, chúng tạo ra tín hiệu huỳnh quang đỏ. Bằng cách áp dụng một từ trường vi sóng phù hợp, tín hiệu huỳnh quang này rất nhạy cảm với từ trường bên ngoài, có thể được sử dụng để đo lường các tín hiệu thần kinh với độ chính xác cao nhất.
PCB thử nghiệm với mạch tích hợp tùy chỉnh và cảm biến lượng tử
CĐể điều khiển những hạt nhỏ bé (gọi là spin trung tâm NV), người ta tạo ra một từ trường đặc biệt bằng cách cho dòng điện chạy qua các cuộn dây. Dòng điện này được điều chỉnh rất chính xác để tạo ra một từ trường mạnh và ổn định. Sau đó, các hạt spin sẽ phát ra ánh sáng. Ánh sáng này sẽ được thu lại và phân tích để tìm hiểu về các tín hiệu từ trường trong cơ thể.

Kiểm tra ASIC trên PCB thử nghiệm bằng kính hiển vi
Các thẻ của Spectrum đã được nhóm nghiên cứu lựa chọn vì một số lý do. Đầu tiên, chúng có dải động cực cao và hiệu suất nhiễu tốt, điều này rất quan trọng đối với những tín hiệu nhỏ như vậy. Thứ hai, chúng rất nhanh, vì vậy chúng có thể thu được các tín hiệu nhanh liên quan đến các sơ đồ kích thích xung nâng cao, có thể yêu cầu băng thông vượt quá 100 MHz.
Thứ ba, chúng mang lại giá trị tuyệt vời về hiệu suất/giá cả. Và cuối cùng, bảo hành năm năm mang lại sự an tâm rằng một thành phần quan trọng của nghiên cứu sẽ tốt trong năm năm vì gần như không thể có được kinh phí để thay thế một thiết bị bị hỏng.

Các đầu dò cảm biến lượng tử hiện có kích thước bằng hộp diêm và trong tương lai sẽ có kích thước khoảng một cm khối và đi đến hộp điều khiển có kích thước gần bằng một hộp diêm lớn chứa thiết bị điện tử xử lý và pin. Mục đích là sử dụng tích hợp vi điện tử và quang tử để thu nhỏ thêm hộp điều khiển và kéo dài tuổi thọ pin để sử dụng trong một ngày trước khi sạc lại. Hy vọng rằng chân tay giả sẽ bắt đầu có sẵn trong vòng ba đến bốn năm nữa.
Tham khảo thêm các thông tin thú vị với Insight, lựa chọn sản phẩm đo lường với TECOTEC và đừng quên tìm đến chúng tôi khi bạn cần các giải pháp cho doanh nghiệp của mình!