Hệ thống thiết bị đo từ trường Trái đất: Sự hợp tác liên ngành

Những sản phẩm này không chỉ áp dụng được vào đời sống mà còn có những tính năng vượt trội không hề thua kém các sản phẩm nhập ngoại đắt tiền trên thế giới. Nổi bật trong số đó phải kể đến Hệ thống thiết bị đo từ trường Trái đất tích hợp kỹ thuật GPS, được hoàn thành trong năm 2020 và sẵn sàng “đóng gói trao tay” đến người sử dụng.

PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang.

Từ vật liệu đến thiết bị

Với hơn 20 năm nghiên cứu về vật liệu từ nói chung vật liệu từ siêu mềm nói riêng, PGS.TS Hương Giang và nhóm nghiên cứu của mình chưa bao giờ cảm thấy thỏa mãn nếu chỉ đi theo một quy trình nghiên cứu thông thường ở Việt Nam là: công bố quốc tế, đóng góp vào đào tạo đại học, sau đại học và sau đó… “chấm hết”. Giữa lúc ấy, trong lĩnh vực nghiên cứu của họ nổi lên một chủ đề rất bức thiết: đó là cần phải có các thiết bị để đo đạc từ trường Trái đất nhằm phục vụ việc vẽ bản đồ từ trường biển Đông cùng nhiều mục đích quan trọng khác từ dân dụng đến quân sự, an ninh, quốc phòng như vẽ bản đồ từ trường Trái đất; thăm dò khai thác khoáng sản, dầu khí; dò tìm các vật kim loại (bom, mìn, tàu ngầm, ngư lôi, tàu đắm, …) không lộ thiên; cảnh báo thiên tai, sóng thần, động đất, sạt lở,… Thế nhưng các sản phẩm đo từ trường trên thế giới luôn ở mức “trên trời” với 200-300 triệu đồng còn tại Việt Nam lại chưa có thiết bị nào như vậy được nội địa hóa. Họ đã đặt ra mục tiêu với những yêu cầu khắt khe cho chính mình như phải tự nghiên cứu để tìm ra được các vật liệu mới, làm chủ hoàn toàn công nghệ lõi cũng như phải thiết kế và chế tạo được hệ thống thiết bị đo và vẽ bản đồ từ trường trái đất với độ phân giải cao, định vị và truyền phát được dữ liệu không dây với kích thước nhỏ gọn và có giá thành rẻ để phục vụ được nhu cầu trong nước.

“Tham vọng” ấy càng khiến nhóm nghiên cứu của PGS.TS Hương Giang ý thức được rõ hơn “chiếc chìa khóa quan trọng nhất” để tạo ra sản phẩm ứng dụng hoàn chỉnh mà giai đoạn trước đây họ đã bỏ lỡ, đó là: coi trọng và đẩy mạnh những sự hợp tác mang tính liên ngành. Bởi để làm ra được thiết bị đo và định vị từ trường Trái đất, dù công nghệ lõi nhất vẫn là vật liệu từ siêu mềm và đầu đo cảm biến – lĩnh vực chuyên môn của nhóm nghiên cứu ở Đại học Công nghệ, nhưng để đưa thiết bị đến được bước hoàn thành cuối cùng sẽ cần phải tích hợp với mạch điện tử, khả năng đo lường xử lý tín hiệu và cả kỹ thuật định vị trong đó – những yêu cầu bắt buộc phải cần đến sự tham gia của các nhóm nghiên cứu khác. “Có thể hiểu là một sơ đồ thiết bị sẽ bao gồm rất nhiều module và mỗi module sẽ cần một nhóm thuộc các liên ngành gần phụ trách”, PGS.TS Hương Giang giải thích.

Hợp tác liên ngành

PGS.TS Hương Giang thẳng thắn thừa nhận, “lúc làm nghiên cứu cơ bản thì nghĩ là mình làm được cảm biến rồi, nhưng thực chất đó là đo trên máy móc chuyên dụng của phòng thí nghiệm trong điều kiện tối ưu để đánh giá độ chính xác theo đúng năng lực thật của vật liệu. Còn khi cả một phòng thí nghiệm với những máy móc hiện đại ấy ‘đóng gói’ trong một thiết bị rất nhỏ thì lại là điều vô cùng khó, đòi hỏi đội về điện tử phải rất am hiểu các vật liệu của nhóm mình”. Thêm vào đó, do từ trường Trái đất vốn dao động ở một dải rất thấp trong khoảng 20-60 microTesla, đầu đo cảm biến sẽ phải đáp ứng được một yêu cầu “cực kỳ khủng khiếp” khác là có độ chính xác đạt 0,1 nanoTesla – bằng một phần nghìn hoặc phần triệu so với độ phân giải của các cảm biến đang được bán rộng rãi trên thị trường hiện nay, từ đó đòi hỏi phải có một công nghệ mới hoặc vật liệu mới chứ không thể thuần túy sử dụng các cảm biến với công nghệ truyền thống đã có, PGS.TS Giang cho biết.

Đó là một trong những lý do khiến họ tìm đến hai nhóm nghiên cứu ở Đại học Bách khoa và Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự cùng một số doanh nghiệp thân thiết khác, đã từng phối hợp nghiên cứu một số sản phẩm ứng dụng trước đây như chảo anten thu tín hiệu vệ tinh và la bàn điện tử.

Cái khó nhất trong quá trình hợp tác là làm thế nào để hiểu nhau và biến những kinh nghiệm, kiến thức của mình thành sản phẩm liên ngành. Song, với sự chủ động của tất cả các thành viên, dù giai đoạn đầu hợp tác là “một quá trình dài và tương đối mất thời gian”, đến khi nhận nhiệm vụ KH&CN cấp quốc gia để chế tạo và thử nghiệm hệ thống đo và định vị từ trường Trái đất vào năm 2017, các nhóm nghiên cứu đã có sự hiểu biết sâu sắc lẫn nhau và sẵn sàng để phối hợp một cách ăn ý. Với mỗi bài toán đặt ra, họ sẽ cùng ngồi lại phân tích. “Nhóm vật liệu của chúng tôi sẽ cho biết mỗi kiểu đầu đo vật lý có tính năng hoạt động như thế nào. Từ đó, đội điện tử sẽ đưa ra các lựa chọn linh kiện để chúng tôi tư vấn đâu là linh kiện phù hợp. Sau đó, chúng tôi sẽ tích hợp lại để thử nghiệm và cùng ‘mổ xẻ’ kết quả để đưa ra những lựa chọn tối ưu hơn”, PGS.TS Giang kể lại. Hay với yêu cầu về độ ổn định của hệ thống bo mạch, “nếu đội điện tử không chạy được một khối phát trong dải tần số nào đó, chúng tôi sẽ cùng trao đổi để nếu muốn giữ điều kiện làm việc của linh kiện này thì dải tần số phải thay đổi hoặc ngược lại”.

Nhóm chạy thử nghiệm hệ thống thiết bị phục vụ đo và vẽ bản đồ từ trường Trái đất trên biển.

Cứ thế, từng yêu cầu “khó nhằn” từ quá trình nghiên cứu đến thử nghiệm và đóng gói đều được các nhóm giải quyết gọn ghẽ. Và kết quả là, không chỉ hệ thống thiết bị đo và định vị từ trường Trái đất dựa trên hiệu ứng Từ giảo – Áp điện và kỹ thuật GPS hoàn chỉnh của nhóm đã được ra đời với những tính năng không thua kém thiết bị đo từ trường trên thế giới, mà nhóm còn sở hữu thêm 2 đơn sáng chế độc quyền được Cục Sở hữu Trí tuệ chấp nhận, 2 bài báo quốc tế ISI với chỉ số ảnh hưởng IF (impact factor) cao (> 3.2) đã được công bố, 1 quy trình công nghệ chế tạo, 15 linh kiện cảm biến và 5 thiết bị đo từ trường Trái đất được đóng gói hoàn thiện – những kết quả “trải” từ các nghiên cứu cơ bản đến nghiên cứu ứng dụng.

Điểm quan trọng nhất là, cảm biến do các nhóm nghiên cứu chế tạo đã đạt được dải từ trường đo từ -150.000 đến 150.000 nanoTesla và có độ phân giải rất cao là 0,1 nanoTesla – cho phép phát hiện được những thay đổi rất nhỏ của từ trường ở bề mặt trái đất mà các cảm biến với công nghệ truyền thống trên thị trường không làm được – từ đó giúp nâng cao khả năng cảnh báo thiên tai, động đất; định vị các mỏ tài nguyên hay áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Đặc biệt, do làm chủ được công nghệ lõi nên nếu có bất kỳ yêu cầu ứng dụng cảm biến trong lĩnh vực nào khác từ quân sự đến dân sự, nhóm đều có thể nghiên cứu để phát triển phù hợp theo từng mục đích. Nhờ nội địa hóa được như vậy, một trong những yếu tố quan trọng bậc nhất đối với người tiêu dùng là giá thành “chắc chắn sẽ rẻ hơn những sản phẩm của nước ngoài rất nhiều”, PGS.TS Hương Giang hồ hởi nói.

Hiện sản phẩm của nhóm đã được Trung tâm Đo lường thuộc Cục Tiêu chuẩn – Đo lường – Chất lượng kiểm định và có thể sẵn sàng chuyển giao sử dụng. “Nếu bây giờ có nơi cần sản xuất với số lượng nhỏ, đơn chiếc thì chúng tôi đã có thể sản xuất ngay trong phòng thí nghiệm, còn nếu doanh nghiệp có nhu cầu số lượng lớn thì nhóm cũng đã sẵn sàng chuyển giao”, PGS.TS Giang cho biết.

Hệ thống thiết bị đo từ trường Trái đất tích hợp kỹ thuật GPS và truyền phát không dây

“Nếu cùng ngồi lại được với nhau, không gì là không làm được”

Trái với suy nghĩ của nhiều người rằng cơ sở vật chất và nguồn kinh phí đầu tư “khủng” là yếu tố quan trọng nhất để làm ra một sản phẩm ứng dụng “ra tấm ra món”, với PGS.TS Đỗ Thị Hương Giang, yếu tố này mới chỉ đóng vai trò thứ yếu, dù chị thẳng thắn chia sẻ nếu không phải nhờ có đề tài được Bộ Khoa học và Công nghệ phê duyệt trong Chương trình Phát triển Vật lý giai đoạn 2015-2020 thì nghiên cứu của chị có thể sẽ chỉ dừng lại được ở mức độ thỏa mãn đam mê mà thôi. Theo chị, trong nghiên cứu, thay vì chờ đợi sự đầu tư mới về thiết bị, chị cố gắng kế thừa nhưng có dịch chuyển hướng nghiên cứu để phù hợp và làm sao khai thác được tối đa hiệu quả sử dụng của các trang thiết bị có sẵn tại các phòng thí nghiệm.

Và với sự linh hoạt ấy, các sản phẩm ứng dụng của nhóm dần được cho ra đời với phiên bản sau ngày càng chuyên nghiệp hơn phiên bản trước. “Mục tiêu của chúng tôi là có thể sản xuất sản phẩm đại trà với giá thành đáp ứng được khả năng kinh tế của người dùng ở trong nước. Chúng tôi không chọn làm ra các sản phẩm quá hiện đại mà chọn những thứ ít phụ thuộc vào công nghệ hoặc không quá tốn kém, nhưng vẫn phải đảm bảo được các thông số kỹ thuật cạnh tranh”, PGS Hương Giang chia sẻ. Đối với chị, sự kết nối giữa các chuyên gia trên nhiều lĩnh vực mới là chiếc chìa khóa quan trọng nhất để họ biến từng mảnh ghép nghiên cứu nhỏ lẻ thành những sản phẩm ứng dụng hoàn chỉnh. “Miễn là các chuyên gia cùng ngồi lại, chia sẻ thông tin cởi mở và bắt tay làm việc cùng nhau, tôi nghĩ không có hướng nghiên cứu nào là không làm được”.

Và để duy trì được sự hợp tác dài lâu như nhóm của PGS.TS Hương Giang, có lẽ còn có sự đóng góp của một yếu tố không kém phần quan trọng khác, là sự trao đổi cởi mở và ghi nhận công lao của tất cả mọi người. Dù là “tổng công trình sư” và đảm trách việc điều phối tất cả các công đoạn cũng như nhiệm vụ nghiên cứu làm chủ công nghệ lõi (phần khó khăn và quan trọng nhất trong nghiên cứu sản phẩm), PGS.TS Hương Giang không nhận những “chiến công” lớn nhất về phía mình. “Tất cả các thành viên trong nhóm nghiên cứu hay doanh nghiệp tham gia đều được chúng tôi ghi nhận trong các công trình công bố và bằng sáng chế”, chị nói. Đến bây giờ mỗi khi có một nhiệm vụ mới, các thành viên của các nhóm đều sẵn lòng “xắn tay áo” vào cuộc để thực hiện cùng ngay mà không đòi hỏi phải có bất cứ điều kiện gì vì họ biết rằng, những gì họ bỏ ra đều sẽ được ghi nhận xứng đáng.

Nhận thấy nhu cầu lớn về các thiết bị có liên quan đến cảm biến, vật liệu từ, mới đây nhóm của PGS.TS Hương Giang đã có buổi làm việc với Bệnh Viện E để tiến đến hợp tác phát triển các ứng dụng liên quan tới y-sinh nhằm hỗ trợ các trung tâm khám chữa bệnh vừa và nhỏ đồng thời giảm tải gánh nặng cho các tuyến trên. “Nhờ buổi gặp ấy, chúng tôi biết thêm được rất nhiều thông tin và nhu cầu từ bệnh viện, từ khoa Nhi, khoa Lão đến Tim mạch, Hồi sức cấp cứu… Mỗi người bằng chính kinh nghiệm nghề nghiệp lại cung cấp cho chúng tôi những thông tin khác nhau, nếu không có buổi gặp ấy, những gì mình biết sẽ chỉ co cụm ở một lĩnh vực hẹp nào đó”, PGS.TS Giang nói, “cũng từ đó mà chúng tôi thấy được nhu cầu hợp tác có ở khắp mọi nơi”.

Theo Mỹ Hạnh/khoahocphattrien.vn

Ảnh: Thiết bị được đo lường kiểm định các thông số hoạt động liên quan đến đo từ trường tại Trung tâm Đo lường thuộc Cục Tiêu chuẩn – Đo lường – Chất lượng.