10 Công nghệ làm thay đổi thế giới (bài 1) Tạp chí Technology Review (www.technologyreview.com) vừa đưa ra danh sách 10 công nghệ mới được đánh giá sẽ làm thay đổi cách sống và làm việc của xã hội hiện đại. Cùng với bản danh sách, là chân dung các nhà phát minh hàng đầu thế giới, những con người đang miệt mài, âm thầm lao động trong phòng thí nghiệm để làm nên những thay đổi lớn lao cho nền tin học, y học, chế tạo học, giao thông và hạ tầng năng lượng của loài người. 1. Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network) Đảo Great Duck (Vịt Lớn) ngoài khơi Maine – Mỹ, có diện tích 90 hecta, bao phủ bởi núi đá và những thảm cỏ; đây là nơi làm tổ lớn nhất trên thế giới của loài chim báo bão Leach, và cũng là nơi tiến hành những thí nghiệm tiên ti ến nhất thế giới về mạng không dây. Mùa hè năm ngoái, các nhà nghiên c ứu đã đặt những thiết bị theo dõi nhỏ xíu vào các hang làm tổ của loài chim này. H ọ gọi là những "hạt bụi" (mote) do chúng có nguồn điện rất nhỏ - một cặp pin AA – và được trang bị một bộ vi xử lý, một bộ nhớ nhỏ xíu cùng với các cảm biến theo dõi ánh sáng, độ ẩm, áp suất và nhiệt độ. Mỗi "hạt bụi" còn có một bộ thu-phát radio chỉ đủ mạnh để phát đi dữ liệu tới các "hạt bụi" gần đó và chuyển tiếp thông tin nhận được từ các hàng xóm khác. Không ch ỉ là một nghiên cứu mới nhất về tập tính của loài chim, những "hạt bụi" này còn mở ra tương lai của các mạng cảm biến chạy pin không dây làm nhiệm vụ theo dõi môi trường, máy móc và thậm chí cả chính con người. David Culler (Đa -vít Cu-lơ), nhà khoa học máy tính tại đại học tổng hợp Berkeley (Bếch-kơ-ly), bang California đã nghiên cứu công nghệ này được 4 năm. Ông nói "Đây là một trong những cơ hội lớn lao của công nghệ thông tin, các mạng cảm biến không dây năng lượng thấp sẽ dẫn đầu triển vọng của ngành này". Hi ện tại, Culler tạm thời rời đại học Berkeley để phụ trách một phòng thí nghi ệm nhỏ của Intel hoàn thiện các "hạt bụi" đó, cũng như hệ thống phần cứng và phần mềm để phát triển các mạng không dây với hàng ngàn thậm chí hàng triệu cảm biến. Những mạng này sẽ quan trắc hầu hết mọi thứ, như giao thông, thời tiết, hoạt động địa chấn, các lực nén lên cao ốc hay cầu, những cuộc hành quân trên mặt trận - tất cả với một mức độ tinh tế hơn nhiều so với trước đó. Do những mạng như thế quá phân tán để có thể nối cứng các cảm biến vào lưới điện hay lưới truyền thông, thách thức số một của dự án là làm thế nào để các "hạt bụi" có thể truyền tin không dây cho nhau với nguồn năng lượng pin tối thiểu. Theo ông Culler, "những thiết bị này phải tự tổ chức thành một mạng bằng cách nghe ngóng nhau và xác định xem nghe thấy từ cái nào . . . nhưng chỉ riêng hoạt động nghe thôi cũng tốn năng lượng rồi". Do vậy, việc t ìm cách tắt sóng radio trong hầu hết thời gian trong khi vẫn cho phép dữ liệu lan truyền qua mạng, từ "hạt bụi" này tới "hạt bụi" khác, giống như cách chia dữ liệu trên Internet thành các gói rồi tìm đường đi từ nút mạng này tới nút mạng khác. Trước khi nhóm của Culler tìm ra l ời giải, chưa hề có một thứ giao thức như trên Internet để mạng không dây làm việc được. Giải pháp của họ là: TinyOS, một hệ điều hành nhỏ gọn chỉ cỡ vài kilobyte, làm những công việc quản lý như đóng gói dữ liệu để chuyển tiếp và bật sóng radio lên chỉ khi nào cần thiết. Hệ điều hành TinyOS có th ể tải về miễn phí và tự do sửa đổi, do vậy các nhà nghiên cứu không thuộc đại học Berkeley và Intel có thể tiến hành thử nghiệm các mạng cảm biến không dây trong nhiều môi trường mà không phải mất công phát triển lại công nghệ cơ sở. Theo ông Deborah Estrin (Đơ-bô-ra Étx-trin), giám đốc trung tâm cảm biến nhúng nối mạng của trường ĐHTH California thuộc bang Los Angeles, các "hạt bụi" của Culler đã trở thành một "nền móng hỗ trợ lớn". Ông Estrin hiện đang khoan thăm dò một mỏ tự nhiên ở vùng núi San Jacinto v ới một mạng dày đặc các cảm biến hình ảnh và tiểu khí hậu không dây. Những nhà nghiên cứu khác đang tìm cách thu nhỏ các "hạt bụi" hơn nữa. Một nhóm, do nhà khoa học máy tính Kristofer Pister (Krítx-tô-phơ Pitx-tơ) thuộc đại học Berkeley lãnh đạo, đặt mục tiêu thu nhỏ còn 1 mm3. Với kích thước đó, các cảm biến không dây có thể đặt v ào mặt đường, vật liệu xây dựng, sợi vải và thậm chí cả cơ thể con người. Nguồn thông tin cảm biến thu được sẽ nâng cao hiểu biết của chúng ta về môi trường xung quanh và giúp chúng ta b ảo vệ tổ ấm của chính mình. 2. Công ngh ệ sản xuất mô tiêm (Injectable Tissue Engineering) Mỗi năm, hơn 700,000 bệnh nhân tại Mỹ phải phẫu thuật thay thế khớp. Những ca này thuộc loại đại phẫu thuật, trong đó đầu gối hay phần mông được thay bằng bộ phận cấy ghép nhân tạo, do vậy nhiều bệnh nhân cố gắng trì hoãn càng lâu. Jennifer Elisseeff (Gien-ni-phơ Ê-li-sép), một kỹ sư dược phẩm sinh học tại trường đại học Johns Hopkins, kỳ vọng một liệu pháp mới sẽ loại bỏ hoàn toàn việc phẫu thuật: mô tiêm. Bà cùng các đồng sự đã phát tri ển một phương pháp tiêm vào khớp một dung dịch hỗn hợp đặc biệt gồm các polyme lỏng đặc biệt, các tế bào và chất kích thích sinh trưởng; sau khi chiếu tia hóa liệu chúng sẽ cứng lại và hình thành nên mô khỏe mạnh. Elisseeff nói "Chúng tôi không chỉ đang cố gắng cải tiến liệu pháp hiện dùng, mà chúng tôi đang thực sự thay đổi ho àn toàn nó". Công trình c ủa Elisseeff là một phần trong những nỗ lực khám phá công ngh ệ sản xuất mô, một lĩnh vực mà các nhà nghiên cứu từ lâu đã hy vọng sẽ sản xuất ra những mô nuôi cấy trong phòng thí nghiệm để thay thế các cơ quan, mô cấy ghép. Trong ba thập kỷ vừa qua, các nhà nghiên cứu đã tập trung nuôi mô mới trên khung polyme trong phòng thí nghiệm. Mặc dù đã thành công trong vi ệc tạo ra những lượng nhỏ sụn và da, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn gặp khó khăn với các khung polyme lớn hơn. Thậm chí nếu thành công thì các bác sĩ vẫn phải phẩu thuật để cấy ghép. Tới nay, Elisseeff, cũng như các nhà nghiên cứu công nghiệp và hàn lâm khác, đang chuyển hướng sang các hệ thống tiêm được đỡ tốn kém hơn nhiều. Đa phần các ứng dụng sản xuất mô có thể đưa vào sử dụng sớm nhất đều dùng cách tiêm, chứ không phải cấy ghép. Và Elisseeff đang nỗ lực đẩy nhanh tốc độ này. Bà cùng các đồng sự đã dùng một hệ thống tiêm được để nuôi sụn trong cơ thể chuột. Các nhà nghiên cứu ghép các tế bào sụn vào một polyme lỏng nhạy sáng và tiêm nó dưới da lưng chuột. Sau đó họ chiếu tia cực tím qua da, làm cho polyme cứng lại và bọc lấy các tế bào. Qua một thời gian, các tế bào sinh sôi và phát triển thành sụn. Để kiểm tra tính khả thi của công nghệ về yêu cầu phẫu thuật nhỏ hơn, các nhà nghiên cứu đã tiêm chất lỏng vào kh ớp gối của xác chết, sau đó dùng một sợi quang để quan sát quá trình hóa rắn trên một màn hình vô tuyến. Trong khi hầu hết các nghiên cứu về mô tiêm tập trung vào sụn và xương, các nhà phân tích cho rằng công nghệ này còn có thể mở rộng ra các mô khác như gan và tim. Theo Anthony Atala, bác sĩ phẫu thuật nhi tại đại học tổng hợp Harvard, liệu pháp này có thể cho phép thay thế các phần nhiễm bệnh của một cơ quan và khôi phục chức năng của nó. Trong trường hợp bệnh tim, thay vì phải mở lồng ngực để phẫu thuật cấy van cơ khí hay mô cơ khí, thì ch ỉ cần tiêm hỗn hợp tế bào và chất lỏng polyme phù hợp vào rồi dùng tia chi ếu hóa liệu. Với Elisseeff và các nhà nghiên cứu khác, giới hạn tiếp theo nằm ở một công cụ mới mạnh mẽ: các tế bào gốc. Lấy từ tủy xương hoặc phôi thai, các tế bào g ốc có khả năng phân tách thành nhiều loại tế bào. Elisseeff và các cộng sự đ ã khai thác khả năng này để nuôi đồng thời tủy và xương mới; đây là một trong những kỹ thuật tinh vi nhất trong công nghệ sản xuất mô. Họ làm ra các l ớp hỗn hợp polyme-tế bào gốc, chiếu các tia hóa liệu riêng cho từng lớp kích thích các tế bào này phát triển thành xương hoặc tủy. Dạng lai ghép như thế sẽ đơn giản hóa các ca phẫu thuật như thay đầu gối, trong đó yêu cầu thay phần trên của xương ống chân và phần sụn trên nó. Vi ệc nuôi các cơ quan nhân tạo 100% không thể làm được trong ngày một ngày hai. Giáo sư Elisseeff hướng đích tới các tiến bộ nhỏ hơn để có thể hiện thực hóa sản xuất mô trong vòng một thập kỷ. Và với hàng ngàn bệnh nhân cần thay khớp mỗi năm tại Mỹ, những tiến bộ nhỏ đó cũng là quá lớn. 3. Công nghệ pin mặt trời nano (nano solar cells) Mặt trời có lẽ là nguồn năng lượng duy nhất đủ lớn để thay thế các nguyên li ệu hóa thạch cho chúng ta. Nhưng việc khai thác năng lượng của nó phụ thuộc công nghệ chip silicon. Giá thành của các chip silicon đẩy giá năng lượng mặt trời cao gấp 10 lần so với nhi ên liệu hóa thạch, do vậy chỉ được dùng trong các vệ tinh và các ứng dụng cao cấp khác. Paul Alivisatos (Pôn Ali-vi-sa-tốtx), một nhà hóa học tại đại học Berkeley, bang California, đề xuất một sáng kiến hay hơn: dùng công nghệ nano để sản xuất các nguyên liệu quang điện mà có thể trải ra như giấy nilông hay sơn. Không chỉ có thể nhúng các pin mặt trời nano vào các vật liệu xây dựng khác, mà gi ải pháp này còn hứa hẹn giá thành sản xuất rẻ để năng lượng mặt trời được dùng rộng rãi thay cho điện năng. Hướng tiếp cận của Alivasatos bắt đầu từ các polyme dẫn điện. Các nh à nghiên c ứu khác đang tìm cách trộn các pin mặt trời vào những vật liệu này, nhưng thậm chí những thiết bị tốt nhất cũng không đủ công suất để chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng. Để tăng công suất, Alivisatos v à các đồng sự đang thêm một thành phần mới vào polyme: nanorod (que nano), chúng là các tinh th ể vô cơ bán dẫn hình thanh có kích thước khoảng 7 tới 60 nano mét. Kết quả thu được là một vật liệu linh hoạt và rẻ tiền, đạt được hiệu quả như các pin mặt trời bằng silicon. Alivisatos hy vọng trong 3 năm tới, phòng thí nghiệm Nanosys do ông đồng sáng lập sẽ cho ra một loại pin mặt trời nanorod có công suất như các hệ thống dùng silicon. Các mẫu pin mặt trời ông đã làm ra cho tới nay bao gồm các tấm composite nanorod- polyme dày độ 200 nanomet. Các lớp điện cực mỏng được kẹp giữa các tấm composite. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm này, chúng sẽ hấp thụ các photon, kích hoạt các electron trong polyme và nanorod (chiếm 90% thành phần composite). Kết quả sinh ra một dòng điện đủ dùng do các điện cực tạo nên. Nh ững kết quả bước đầu rất đáng khích lệ. Hiện tại một số kỹ thuật còn giúp nâng cao công su ất hơn nữa. Đầu tiên, Alivasatos và các đồng sự chuyển sang một vật liệu nanorod mới, cadmium telluride, chất này hấp thụ nhiều ánh sáng hơn cadmium selenide được dùng trước đó. Họ cũng đa ng tìm cách s ắp xếp các nanorod thành các nhóm phân nhánh để dẫn electron hiệu quả hơn so với các nanorod hỗn độn. Alivisatos giải thích "Đây chỉ l à vấn đề xử lý, không có lý do rõ ràng tại sao các pin mặt trời nano cuối cùng vẫn không làm sao so được với các pin silicon". Các pin m ặt trời nano có thể trải ra, in như mực phun hoặc thậm chí sơn vào bề mặt do vậy "một bảng quảng cáo trên xe buýt cũng có thể là một ác-quy m ặt trời" – như ông Stephen Emedocles, giám đốc phát triển thương mại của Nanosys, phát biểu. Ông dự đoán rằng những vật liệu rẻ tiền có thể sẽ tạo ra một thị trường 10 tỷ USD mỗi năm cho pin mặt trời, và làm lung lay thị trường pin silicon truyền thống. Các nanorod của Alivisatos không phải là công nghệ duy nhất tìm kiếm năng lượng mặt trời rẻ tiền. Nhưng dù cho cuối cùng hướng đi của ông có cách mạng hóa năng lượng mặt trời được hay không, thì ông đã mang lại những giải pháp công nghệ nano hoàn toàn mới mẻ để tìm lời giải cho bài toán. Và ch ỉ riêng thế đã là một đóng góp lớn cho cuộc tìm kiếm một loại pin mặt trời tốt hơn. Alivisatos nói "Sẽ có những nhóm nghiên cứu khác với ý tưởng và cách x ử lý thông minh hơn – có thể là những thứ mà chúng tôi chưa bao giờ nghĩ tới. Những ý tưởng mới và vật liệu mới đã mở ra một sự thay đổi. Việc thử nghiệm nhiều hướng đi và xem cái gì xảy ra là một ý kiến hay." 4. Cơ -điện tử học (mechatronics) Để cải tiến mọi thứ từ tính tiết kiệm nhiên liệu cho tới khả năng hoạt động, các nhà nghiên cứu ô-tô đang chuyển hướng sang "cơ-điện tử", một sự kết hợp các hệ thống cơ khí quen thuộc với các linh kiện điện tử mới và điều khiển bằng phần mềm thông minh. Thí dụ về hệ thống phanh, trong 5-10 năm tới, các kích hoạt điện tử-cơ sẽ thay thế các xy-lanh thủy lực, dây dẫn sẽ thay thế ống dẫn dầu phanh, và việc dùng chân nhấn phanh sẽ được thay thế bằng thao tác trên phần mềm. Rolf Isermann (Rôn Ixơ-man), một kỹ sư tại Đại học Bách khoa Darmstadt - Đức, đang dùng phần mềm có khả năng xác định v à chữa lỗi trong thời gian thực nhằm đảm bảo công nghệ trên vận hành đúng. Để thực hiện phanh cơ -điện tử, nhóm của Isermann đang phát triển một phần mềm thu thập dữ liệu từ ba cảm biến: cái thứ nhất phát hiện dòng điện tới cần kích hoạt phanh, cái thứ hai theo dõi vị trí cần kích hoạt, và cái thứ ba đo lực nén của nó. Các số đo, như độ tăng ma sát, được phân tích để phát hiện lỗi và bật đèn cảnh báo trên công-tơ mét để người lái xe sửa chữa trước khi hỏng. Anh Karl Hedrick, một kỹ sư cơ khí tại đại học Berkeley bang California, cho biết "Ban đầu mọi người đều e ngại về độ an toàn của các thiết bị điện tử. Tôi nghĩ rằng hiện giờ người ta đang nhận thức được rằng chúng an toàn hơn những thiết bị cơ khí. L ý do chủ yếu là do bạn có thể đặt các chương tr ình chẩn đoán lỗi và đặt dung sai lỗi. Isermann chắc chắn là người đầu tiên phát triển công nghệ này". Isermann c ũng đang nghiên cứu để các động cơ chạy sạch hơn. Ông đang phát triển phần mềm phát hiện các chất không cháy có thể gây hại cho bộ lọc khói và tăng mức ô nhiễm. Do việc đặt một cảm biến trong buồng đốt l à phi th ực tế, hệ thống của Isermann dựa vào dữ liệu từ các cảm biến đo mức ô-xy trong ống xả và theo dõi tốc độ của trục khuỷu. Những thăng giáng nhỏ trong vận tốc trục khuỷu cùng với thay đổi trong khí xả giúp phát hiện chất không cháy. Nếu có, phần mềm có thể cảnh báo cho lái xe hoặc, trong tương lai, có thể tự động sửa chữa. Những mối quan hệ đối tác với các công ty chế tạo, trong đó có Daimler Chrysler và Continental Teves, gắn kết công trình nghiên cứu cơ sở của nhóm Isermann với ứng dụng trên những sản phẩm xe hơi thực sự. Isermann nói rằng "80 - 90 % cải tiến về động cơ và xe hơi ngày nay là do điện tử học và cơ -điện tử học". Những năm gần đây, các hệ cơ-điện tử mới chỉ thấy chủ yếu trong các sản phẩm lớn như máy bay, thiết bị công nghiệp, hoặc trong các thành phần chính xác của camera và máy photocopy. Tuy nhiên những ứng dụng mới trong xe hơi và xe tải đ ã phát động một số lượng đột biến các nhóm nghiên cứu về cơ-điện tử. Xu hướng này đã được kích thích bởi nhiều yếu tố: giá vi xử lý và cảm biến hạ, các quy định chặt chẽ về khí thải xe cộ tại châu Âu và California, và mong muốn của các nhà sản xuất ô-tô về tính tiện nghi và hiệu quả cao hơn trong các sản phẩm ô-tô của họ. Thị trường hàng xa xỉ hiện nay đang phát đạt nhất, thí dụ hãng BMW cho ra các m ẫu xe cao cấp có hơn 70 bộ vi xử lý điều khiển hơn 120 động cơ siêu nhỏ. Tuy nhiên cơ điện tử sẽ tiến dần vào thị trường thông dụng trong vòng 5 năm nữa. Và với phần mềm như của Isermann, thì các hệ thống cơ-điện tử trong những loại xe mới sẽ mạnh mẽ và đáng tin cậy như các cơ cấu bằng thép. 5. Lưới tính toán (Grid Computing) Trong thập kỷ 1980, các giao thức liên mạng đã cho phép chúng ta nối kết hai máy tính bất kỳ với nhau, và một mạng khổng lồ các mạng gọi là Internet bao trùm toàn cầu. Trong thập kỷ 1990, giao thức HTTP cho khả năng nối kết hai tài liệu bất kỳ, và một thư viện tài liệu trực tuyến khổng lồ bùng nổ trên Internet. Hiện nay, các "giao thức lưới" (grid protocols) đang phát triển nhanh chóng, có thể cho phép chúng ta liên kết hầu hết mọi thứ: các cơ sở dữ liệu, các công cụ giả lập và trực quan, thậm chí cả việc chia sẻ khả năng tính toán giữa các máy tính. Và rồi một ngày chúng ta lại thấy mình trong sự bùng nổ thông tin lớn chưa từng có. Nhà nghiên cứu Ian Foster (I-an Phótx-tơ) của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Mỹ) cho biết "Chúng ta đang bước vào một tương lai mà ở đó vị trí các tài nguyên máy tính không còn là vấn đề gì nữa". Foster và Carl Kesselman (Kan Kê- sơl-man), nhà nghiên cứu thuộc Viện tin học của trường đại học Nam California, l à những người tiên phong trong khái niệm mà họ gọi là lưới tính toán, tương tự như khái niệm lưới điện. Foster và Kesselman, cùng v ới Steven Tuecke của Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, đã phát tri ển bộ công cụ Globus Toolkit, một hệ thống triển khai các giao thức lưới hiện đã được chuẩn hóa. Những giao thức đó hứa hẹn mang lại cho máy tính gia đinh và văn ph òng khả năng thâm nhập vào không gian mạng (cyberspace), tìm kiếm tài nguyên ở bất cứ đâu và thu thập lại tùy yêu cầu. Kesselman nói "Thử tưởng tượng bạn là trưởng nhóm phản ứng khẩn cấp đang phải xử lý một vụ tr àn hóa chất lớn. Bạn sẽ muốn biết những thông tin như: thành phần hóa chất, dự bá o thời tiết và ảnh hưởng của thời tiết đến hình dạng lan tràn, tình trạng giao thông hiện thời và ảnh hướng tới các ngả đường sơ tán. Nếu t ìm lời đáp trên Internet ngày nay thì bạn sẽ bị sa lầy vào m ột đống các thủ tục đăng nhập (log-in) và phần mềm không tương thích. Nhưng với lưới tính toán, điều n ày thật đơn giản: các giao thức lưới cung cấp các cơ chế chuẩn để tìm kiếm, truy cập và kích hoạt bất kỳ tài liệu trực tuyến nào, với tất cả tính bảo mật và xác thực cần thiết". Nhiều máy tính lưới phân tán đang được xây dựng trên khắp thế giới, hầu hết đều dùng Globus Toolkit. Chúng sẽ có sức mạnh tính toán và phạm vi ứng dụng chưa từng có, từ trong nghi ên cứu gien, vật lý hạt cho tới động đất. Lưới TeraGrid trị giá 88 triệu USD của Hội khoa học tự nhi ên Mỹ sẽ là một trong các lưới lớn nhất. Khi được ho àn tất vào cuối năm nay (2003), siêu máy tính phân tán, đa năng này sẽ có thể thực hiện 21 tỷ tỷ phép tính dấu phẩy động trong một giây, trở thành một trong các hệ thống tính toán nhanh nhất Trái Đất. Và hiện tại công nghệ lưới tính toán đang được sự hỗ trợ mạnh mẽ từ những hãng công nghiệp lớn như IBM, Sun Microsystems và Microsoft. IBM, một đối tác chính trong dự án TeraGrid và một số dự án lưới tính toán khác, đang bắt đầu tiếp thị một phi ên bản thương mại nâng cấp của Globus Toolkit. Larry Smarr, giám đốc Học viện California về công nghệ thông tin v à viễn thông, phát biểu rằng "Không chỉ có công trình của Foser và Kesselman về các giao thức và chuẩn (bắt đầu từ năm 1995), mà thực sự cả một làn sóng công ngh ệ lưới tính toán đã nổi lên". Hơn thế, Foster và Kesselman đã đóng vai trò trụ cột trong việc tạo dựng lên một cộng đồng xung quanh công nghệ lưới tính toán v à trong việc ủng hộ xu hướng sát nhập với hai công nghệ khác có liên quan: kết nối điểm-điểm cùng cấp (peer-to-peer) và các dịch vụ Web. Công nghệ kết nối điểm-điểm cùng cấp tận dụng sức mạnh của những máy tính để b àn nhàn rỗi trong các bài toán lớn với giải pháp nổi tiếng của SETI@home. Các dịch vụ Web cung cấp truy cập tới những tài nguyên tính toán t ừ xa với những cải tiến trong giao thức siêu văn bản. Với việc trợ giúp sát nhập ba công nghệ mạnh mẽ này, Foster và Kesselman sẽ đem cuộc cách mạng lưới tính toán gần thực tế hơn nữa. Điều đó đồng nghĩa với khả năng tiếp cận khắp mọi nơi, trơn tru tới nguồn lực vô hạn của máy tính.