Công nghệ hồng ngoại mô phỏng bọ lửa nhanh hơn 20.000 lần, thách thức Vòm Vàng của Mỹ

Sau nhiều năm nghiên cứu về các cảm biến hồng ngoại tiên tiến, nhóm các nhà khoa học Trung Quốc đã chế tạo ra một thiết bị có thể được dùng để xây dựng mạng lưới giám sát mạnh mẽ và hiệu quả hơn cả hệ thống phòng thủ tên lửa Vòm Vàng mà Mỹ đang đề xuất, theo trang SCMP.

Công nghệ mới của Trung Quốc này có tốc độ phát hiện nhanh chưa từng thấy, gấp 20.000 lần công nghệ hiện tại và được truyền cảm hứng từ một trong những loài có khả năng phát hiện nhiệt nhạy nhất nhất trong tự nhiên: Bọ lửa.

Bọ lửa, với cơ quan chuyên biệt cho phép phát hiện được bức xạ hồng ngoại rất yếu từ khoảng cách hàng trăm km đã truyền cảm hứng cho công nghệ của Trung Quốc có thể được ứng dụng trong phòng thủ tên lửa - Ảnh: Shutterstock

Công nghệ cảm biến hồng ngoại rất quan trọng trong việc phát hiện vật thể trong môi trường khắc nghiệt, nơi khói, sương mù hay bụi có thể che khuất tầm nhìn. Nhờ khả năng xuyên qua những trở ngại này, nó cung cấp hình ảnh rõ ràng và phát hiện chính xác – điều thiết yếu trong các ứng dụng quân sự và công nghiệp.

Hệ thống sinh học cũng có khả năng cảm nhận chuyển động trong môi trường phức tạp với khả năng xử lý tối thiểu, từ đó truyền cảm hứng cho các thiết kế thiết bị quang điện tử mới.

Chẳng hạn, loài bọ lửa được trang bị một cơ quan đặc biệt gọi là pit organ nằm ở phần ngực, giúp nó phát hiện tia hồng ngoại yếu từ các đám cháy rừng cách xa hàng trăm km, ngay cả khi đang bay với tốc độ cao – độ nhạy vượt trội hầu hết cảm biến hồng ngoại thương mại hiện nay.

Pit organ là cơ quan cảm nhận nhiệt đặc biệt có ở một số loài động vật, nổi bật nhất là bọ lửa và rắn lục, giúp chúng phát hiện tia hồng ngoại (nhiệt độ) từ môi trường hoặc con mồi xung quanh.

Cơ quan đặc biệt này tiến hóa để phục vụ cho sinh sản: Lượng nhiệt còn sót lại từ các đám cháy rừng, tạo ra điều kiện cần thiết để ấu trùng nở ra từ những quả trứng vỏ dày. Sau đó, ấu trùng sẽ ăn vỏ cây đã bị cháy.

Lấy cảm hứng từ cơ chế sinh học đó, Giáo sư Hu Weida, Miao Jinshui và nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý Kỹ thuật Thượng Hải (thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc), phối hợp với các nhà khoa học từ Đại học Đồng Tế, đã phát triển thiết bị cảm biến hồng ngoại hiệu suất cao mới, có khả năng phát hiện, ghi nhớ và nhận dạng mục tiêu hồng ngoại chuyển động nhanh theo thời gian thực.

Các phát hiện của họ được công bố trên các tạp chí khoa học bình duyệt Nature Communications và Light: Science & Applications.

Trong nghiên cứu đầu tiên, nhóm nhà khoa học đã tạo ra một transistor (bóng bán dẫn) từ sự kết hợp giữa palladium diselenide (PdSe₂) và pentacene để tạo nên một cấu trúc dị thể. PdSe₂ là vật liệu hai chiều (2D) có khả năng hấp thụ mạnh trong dải hồng ngoại trung; còn pentacene là chất bán dẫn hữu cơ mô phỏng các hệ thống sinh học.

Thiết bị hoạt động trong dải hồng ngoại trung từ 3 đến 4,25 µm và ở cường độ ánh sáng tới (cường độ bức xạ tới) thấp chỉ 0,5 mW/cm², gần bằng ngưỡng nhạy sinh lý của bọ lửa.

Với bóng bán dẫn này, nhóm đã thiết kế một mô hình điện toán hồ chứa và bằng cách tích hợp mảng thiết bị 4×4, họ có thể xác định hướng chuyển động của ngọn lửa có độ chính xác gần 95%.

Trong các kịch bản cháy giả lập với nhiệt độ lên đến 927°C, thiết bị cho thấy phản ứng ổn định và khả năng ghi nhớ đường đi của bức xạ nhiệt, khẳng định tiềm năng trong các hệ thống cảnh báo cháy rừng, định vị tầm nhìn ban đêm và giám sát công nghiệp.

Ở nghiên cứu thứ hai, nhóm nhà khoa học phát triển cấu trúc dị thể giữa phốt pho đen (BP) và selenide indium (InSe), đạt được khả năng ghi nhớ quang học chỉ trong 0,5 microgiây, nhanh gấp 20.000 lần thiết bị lưu trữ quang học truyền thống.

Bộ nhớ quang học sử dụng ánh sáng (photon) thay vì điện (electron) để lưu trữ, truyền tải và xử lý thông tin.

Khi thử nghiệm với các mục tiêu hồng ngoại giả lập, hệ thống đã ghi lại được 17 đặc điểm điểm ảnh riêng biệt, so với thiết bị truyền thống vốn chỉ ghi được một điểm mờ duy nhất.

Theo các tác giả nghiên cứu, công nghệ này có thể ứng dụng trong giám sát môi trường, theo dõi quân sự, lái xe tự động và nhìn đêm.

Dù không nêu ví dụ cụ thể nhưng nếu các thiết bị tích hợp công nghệ này được triển khai trong đội hình drone (máy bay không người lái) hoặc chùm vệ tinh thì có thể tạo thành mạng lưới giám sát hồng ngoại phân tán.

Các chip lấy cảm hứng từ bọ lửa có thể được tích hợp vào hệ thống phòng không tầm ngắn HQ-17AE để đánh chặn tên lửa trong điều kiện bão cát hoặc ban đêm. Trong khi các chip phát triển từ vật liệu BP/InSe có thể tăng cường năng lực phòng thủ laser của hải quân, chẳng hạn hệ thống điều khiển hỏa lực cho súng điện từ trên tàu sân bay Trung Quốc.

Vòm Vàng không đạt được tốc độ phản hồi, độ chính xác định vị và độ nhạy như công nghệ của Trung Quốc?

Vào tháng 5, Tổng thống Mỹ Donald Trump đã công bố hệ thống Vòm Vàng (Golden Dome) trị giá hàng trăm tỉ USD. Lá chắn thế hệ tiếp theo sẽ bao gồm một mạng lưới vệ tinh cảnh báo sớm hồng ngoại toàn cầu được trang bị cảm biến và thiết bị đánh chặn để phát hiện, phá hủy nhiều loại tên lửa khác nhau và công nghệ tàng hình tránh radar trước hoặc trong chuyến bay của chúng.

Song theo các nghiên cứu, Vòm Vàng dựa trên cảm biến bán dẫn oxit kim loại bổ sung sử dụng silicon làm nền tảng, vốn không thể đạt được tốc độ phản hồi, độ chính xác định vị và độ nhạy như công nghệ do Trung Quốc phát triển, trang SCMP đưa tin.

Tổng thống Trump giới thiệu Vòm Vàng vào ngày 20.5 - Ảnh: Reuters

Các nhà khoa học cho biết phát hiện từ hai nghiên cứu nêu trên có thể vượt qua giới hạn của mô hình phần cứng truyền thống, vốn tách rời giữa cảm biến và bộ xử lý, từ đó giảm đáng kể độ trễ dữ liệu và mức tiêu thụ điện năng.

“Hệ thống được đề xuất này, nhờ tích hợp khả năng cảm biến, ghi nhớ và xử lý, đã giảm đáng kể độ trễ truyền dữ liệu và nâng cao hiệu quả xử lý chuyển động”, nhóm nhà khoa học khẳng định.

Ngoài ra, các thiết bị còn có đặc điểm vận hành với điện áp thấp, hoạt động ở nhiệt độ phòng và dễ sản xuất theo dạng mảng quy mô lớn – lý tưởng cho các ứng dụng điện toán biên trong drone, xe tự hành và viễn thám vệ tinh.

Sơn Vân