Không cần gắn cảm biến lên vật thể: Công nghệ mới muốn in luôn sensor vào cấu trúc 3D

Hầu hết thiết bị thông minh hiện nay được tạo theo hai bước: trước tiên chế tạo phần cơ khí, sau đó gắn cảm biến, dây dẫn và mạch điện lên nó. Cách làm này hiệu quả, nhưng nó cũng tạo ra một giới hạn rất rõ. Sensor thường là một bộ phận “đính kèm” vào vật thể thay vì trở thành một phần của chính vật thể.

Một hướng nghiên cứu mới trong additive manufacturing muốn thay đổi điều đó. Thay vì in xong một cánh tay robot rồi dán cảm biến lực lên bề mặt, các kỹ sư đang thử in trực tiếp phần tử cảm biến, đường dẫn điện hoặc vật liệu chức năng vào bên trong cấu trúc 3D trong lúc nó được tạo ra.

Nếu cách tiếp cận này trưởng thành, một chi tiết cơ khí có thể không chỉ chịu lực. Nó đồng thời biết mình đang nóng đến đâu, bị kéo mạnh thế nào, đã xuất hiện vết nứt hay chưa hoặc có thứ gì đang chạm vào bề mặt.

Đây là bước dịch chuyển từ “vật thể có gắn sensor” sang vật thể có khả năng cảm nhận ngay trong cấu trúc.

Sensor không nhất thiết phải là một linh kiện riêng

Khi nghe từ “cảm biến”, người dùng thường hình dung một module hoàn chỉnh: một chip, một đầu dò hoặc một bảng mạch được bắt vít, dán keo hay hàn lên sản phẩm.

Nhưng về bản chất, sensor chỉ cần một phần tử có đặc tính vật lý thay đổi theo đại lượng cần đo và một phương pháp đọc sự thay đổi đó.

Một đường dẫn có điện trở thay đổi khi bị kéo có thể là cảm biến biến dạng. Một vật liệu áp điện tạo điện tích khi chịu lực có thể trở thành cảm biến áp suất. Một phần tử có điện trở phụ thuộc nhiệt độ có thể đo nhiệt. Một cấu trúc điện dung có hình học thay đổi khi bị chạm có thể phát hiện tiếp xúc.

Điều này mở ra một khả năng quan trọng cho in 3D đa vật liệu: nếu máy in có thể đặt đúng vật liệu dẫn điện, điện môi, áp điện hoặc vật liệu chức năng vào đúng tọa độ, sensor có thể được tạo cùng lúc với thân vật thể thay vì được lắp thêm sau đó.

Ba con đường để “in cảm biến vào vật thể”

Không có một kỹ thuật duy nhất đang thống trị lĩnh vực này. Những nghiên cứu hiện nay thường đi theo ba hướng.

• In trực tiếp sensor: đầu in đặt vật liệu cảm biến và đường dẫn điện vào cấu trúc theo hình học được thiết kế sẵn.
• Nhúng linh kiện trong quá trình in: quá trình chế tạo tạm dừng để đặt sensor hoặc mạch điện vào một hốc, sau đó tiếp tục phủ vật liệu xung quanh.
• Vật liệu tự cảm nhận: chính composite hoặc cấu trúc chịu lực có đặc tính điện thay đổi theo ứng suất, nhiệt độ hoặc hư hỏng, khiến ranh giới giữa “vật liệu” và “sensor” gần như biến mất.

Ba hướng này có thể kết hợp với nhau trong cùng một sản phẩm. Một cấu trúc có thể chứa sensor in trực tiếp ở các khu vực cần độ linh hoạt, linh kiện silicon ở nơi cần xử lý tín hiệu và các đường dẫn điện được chôn trong thân vật thể.

Robot mềm là ứng dụng gần như sinh ra cho kiểu sản xuất này

Robot mềm cho thấy rất rõ vấn đề của sensor gắn ngoài.

Thân robot có thể uốn, xoắn, kéo giãn hoặc bị nén mạnh. Một bảng mạch cứng hoặc cảm biến dán lên bề mặt dễ tạo điểm tập trung ứng suất, làm hạn chế chuyển động hoặc bong khỏi vật liệu sau nhiều chu kỳ.

Cuối năm 2025, một nghiên cứu trên Science Advances trình bày quy trình in 3D đa vật liệu kết hợp Digital Light Processing và Direct Ink Writing để tạo robot mềm với actuator và hệ thống sensing được tích hợp trực tiếp.

Nhóm nghiên cứu sử dụng nhiều chiến lược cấu trúc như lattice metamaterial, đường dẫn uốn lượn và PCB được chia nhỏ để phần điện tử vẫn hoạt động khi robot bị biến dạng. Các robot thử nghiệm có thể thực hiện cảm nhận xúc giác theo thời gian thực, truyền thông không dây, phản hồi từ xúc giác sang hình ảnh và tự tránh chướng ngại vật.

Điểm đáng chú ý không phải chỉ là robot có sensor. Robot thông thường đã có điều đó từ lâu. Khác biệt nằm ở chỗ phần cảm nhận được thiết kế như một phần của hình học cơ khí ngay từ file sản xuất.

Đối với soft robotics, điều này có thể rất quan trọng vì “da”, khung, actuator và sensor cuối cùng có thể được đồng thiết kế thay vì ghép từ nhiều linh kiện có cơ tính khác nhau.

Vật liệu composite có thể tự báo khi nó đang chịu lực

Một ví dụ khác đến từ nghiên cứu năm 2025 về composite epoxy–carbon fiber có cảm biến PVDF–MoS2 được in nhúng bên trong.

PVDF là polymer áp điện: khi bị biến dạng cơ học, cấu trúc của nó có thể tạo ra tín hiệu điện. Khi kết hợp với molybdenum disulfide và tối ưu quá trình in, vật liệu này có thể hoạt động như một nanosensor nhạy với biến dạng.

Thay vì chế tạo tấm composite rồi dán strain gauge lên trên, nhóm nghiên cứu dùng embedded 3D printing để đặt phần tử PVDF–MoS2 trực tiếp vào ma trận epoxy trong quá trình tạo cấu trúc.

Kết quả là một composite có khả năng “tự cảm nhận”: tải cơ học lên cấu trúc cũng tác động lên phần tử sensing nằm bên trong nó.

Đây là một thay đổi quan trọng đối với structural health monitoring. Sensor ngoài bề mặt chỉ biết điều gì xảy ra tại nơi nó được dán. Sensor nằm bên trong có thể được đặt gần vùng ứng suất, lớp liên kết hoặc khu vực mà hư hỏng bắt đầu hình thành nhưng chưa lộ ra ngoài.

Dầm kim loại cũng đang được biến thành “smart structure”

In sensor vào polymer tương đối dễ hình dung vì nhiệt độ chế tạo thấp. Với kim loại, bài toán khó hơn nhiều.

Metal additive manufacturing có thể sử dụng hồ quang, laser hoặc nguồn nhiệt đủ lớn để nóng chảy kim loại. Một sensor điện tử thông thường rất dễ bị phá hủy nếu đặt trực tiếp vào vùng chế tạo.

Tháng 7/2026, các nhà nghiên cứu công bố một quy trình “convergent manufacturing” nhằm giải quyết chính vấn đề này. Họ kết hợp wire-arc additive manufacturing, gia công cắt gọt, lớp bảo vệ ceramic và cold-spray metallization để nhúng sensor thương mại vào dầm hợp kim nhôm Al-5356.

Thay vì chỉ nhúng một đầu đo, nhóm tạo mạng cảm biến nhiều lớp và nhiều loại trong một dầm kích thước khoảng 180 × 20 × 13 mm. Các cảm biến nhiệt độ RTD ghi nhận đáp ứng nhiệt với sai số dưới 2,2%, còn strain gauge đo biến dạng với độ lệch dưới 2,5% trong thử nghiệm được công bố.

Việc nhúng sensor cũng làm giảm một phần khả năng cơ học của dầm: nghiên cứu báo cáo mức suy giảm dưới 11% trong thử uốn tĩnh và dưới 20% trong uốn động so với dầm đối chứng không có sensor.

Đây chính là một trong những đánh đổi lớn của structural electronics: thêm trí thông minh vào kết cấu không được phép làm kết cấu yếu đi quá nhiều.

Sensor chôn trong kim loại có thể theo dõi vết nứt từ bên trong

Một hướng khác không cần đưa cả chip điện tử vào kim loại.

Trong công trình nghiên cứu công bố lần đầu năm 2025, các nhà khoa học nhúng các vật liệu magnetoelastic và thermomagnetic được đóng gói trong microtube vào cấu trúc kim loại in 3D. Khi nhiệt độ hoặc ứng suất thay đổi, tính chất từ của các phần tử này thay đổi theo.

Sensor được đọc không dây bằng thiết bị điện từ đặt gần bề mặt, nghĩa là không nhất thiết phải chạy dây tín hiệu từ sâu bên trong chi tiết ra ngoài.

Theo kết quả của nhóm nghiên cứu, hệ thống đo biến dạng đạt độ chính xác khoảng ±27 microstrain trong phạm vi được thử và đo nhiệt độ với độ chính xác khoảng ±0,75°C trên dải 70°C, ở mức tin cậy 95%.

Quan trọng hơn, các phần tử nhúng có thể phát hiện sự khởi đầu của biến dạng dẻo và sự phát triển của nứt mỏi hàng nghìn chu kỳ trước khi hỏng nghiêm trọng trong thử nghiệm.

Đây là kiểu ứng dụng mà sensor bề mặt thường gặp khó khăn: cấu trúc có thể trông bình thường từ bên ngoài trong khi hư hỏng đã hình thành bên trong.

Vấn đề lớn của in điện tử 3D: làm sao nung vật liệu dẫn mà không phá cấu trúc?

Để in được mạch điện hoặc sensor, chỉ đặt “mực dẫn điện” vào hình dạng mong muốn thường chưa đủ.

Nhiều loại ink chứa nanoparticle kim loại cần một bước nung hoặc annealing để các hạt kết nối với nhau, giảm điện trở và tạo tính chất điện cần thiết. Trong electronics phẳng, quá trình này có thể dùng lò hoặc laser.

Nhưng với cấu trúc 3D đa vật liệu, nhiệt lại là vấn đề. Nung đủ nóng để làm tốt đường dẫn bạc có thể làm mềm hoặc phá polymer nằm ngay bên cạnh. Laser cũng khó tiếp cận các lớp điện tử nằm sâu trong vật thể hoặc bị che bởi vật liệu không trong suốt.

Năm 2026, nhóm nghiên cứu do Rice University dẫn đầu công bố phương pháp dùng vi sóng trường gần được tập trung bằng một cấu trúc lấy cảm hứng từ metamaterial, gọi là Meta-NFS.

Thay vì làm nóng cả vật thể, hệ thống tập trung năng lượng vi sóng vào một vùng nhỏ để xử lý vật liệu được in ngay trong quá trình chế tạo. Nghiên cứu trên Science Advances cho thấy kỹ thuật có thể tạo gia nhiệt cục bộ ở quy mô dưới milimet và xử lý những vùng nằm trong vật liệu không trong suốt về quang học.

Điều đó quan trọng vì nó mở rộng danh sách vật liệu có thể đặt cạnh nhau. Một cấu trúc polymer nhạy nhiệt có thể chứa đường dẫn điện hoặc thành phần chức năng mà không cần chịu toàn bộ nhiệt độ của một quy trình nung truyền thống.

Nói cách khác, để “in luôn sensor vào vật thể”, ngành không chỉ cần mực dẫn điện tốt hơn. Nó còn cần những cách mới để xử lý vật liệu ngay tại vị trí cần thiết mà không ảnh hưởng đến phần còn lại.

In 3D không chỉ tạo hình, nó đang bắt đầu lập trình chức năng theo tọa độ

Máy in 3D truyền thống chủ yếu trả lời câu hỏi: tại tọa độ này có vật liệu hay không?

In 3D chức năng phải trả lời một câu hỏi phức tạp hơn: ở tọa độ này cần vật liệu gì, có tính chất điện nào và đóng vai trò gì trong hệ thống?

Một voxel có thể là vật liệu chịu lực. Voxel kế bên có thể dẫn điện. Lớp khác có thể cách điện. Một vùng khác được thiết kế để biến dạng mạnh hơn nhằm tăng độ nhạy của sensor.

Khi đó file CAD không chỉ mô tả hình dạng bên ngoài của sản phẩm. Nó bắt đầu mô tả cả sơ đồ điện, vị trí sensor, đường tín hiệu và cách cấu trúc phản ứng với lực.

Đây là lý do structural electronics thường đi cùng multimaterial additive manufacturing. Muốn biến một chi tiết thành thiết bị điện tử thực sự, máy in phải kiểm soát nhiều loại vật liệu có tính chất cơ, nhiệt và điện rất khác nhau.

Lợi ích đầu tiên: sensor có thể nằm đúng nơi cần đo

Gắn sensor sau sản xuất buộc kỹ sư phải làm việc với bề mặt có sẵn. Nếu vùng cần đo nằm sâu trong kết cấu, việc tiếp cận có thể khó hoặc không thể.

In hoặc nhúng sensor trong quá trình chế tạo xóa giới hạn đó.

Một strain sensor có thể được đặt gần vùng mà mô phỏng dự đoán ứng suất cao nhất. Một nhiệt kế có thể nằm sát kênh làm mát trong một chi tiết hàng không. Một mạng cảm biến có thể chạy qua nhiều lớp của composite. Sensor xúc giác có thể phân bố trên toàn bộ ngón tay robot thay vì chỉ nằm ở đầu ngón.

Vị trí của sensor trở thành một biến thiết kế giống như độ dày thành hoặc topology của kết cấu.

Lợi ích thứ hai: ít dây, ít keo, ít bước lắp ráp hơn

Một hệ thống sensor không chỉ bao gồm phần tử cảm nhận. Nó còn cần dây, connector, lớp bảo vệ, vật liệu dán và công đoạn căn chỉnh.

Trong sản phẩm phức tạp, chính các phần phụ này có thể chiếm nhiều không gian và là nguồn gây lỗi.

Nếu đường dẫn điện được in cùng với cấu trúc và sensor được đặt đúng vị trí ngay trong quá trình additive manufacturing, một số bước lắp ráp có thể được loại bỏ.

Đối với thiết bị mềm hoặc cấu trúc cong, lợi ích còn lớn hơn vì không cần ép mạch phẳng phải thích nghi với hình học ba chiều.

Lợi ích thứ ba: sản phẩm có thể được cá nhân hóa cả hình dạng lẫn khả năng cảm nhận

Ưu thế quen thuộc của in 3D là mỗi sản phẩm có thể có hình học khác nhau mà không cần thay khuôn.

Khi sensor cũng được in, khả năng cá nhân hóa mở rộng sang chức năng.

Một chân giả có thể được in theo hình học của từng người, đồng thời bố trí vùng đo áp suất đúng nơi socket thường chịu tải. Một implant có thể đặt sensor tại vùng bác sĩ muốn theo dõi. Một gripper robot có thể được thiết kế với mật độ xúc giác khác nhau tùy nhiệm vụ.

Điều này khiến mass customization không còn chỉ là “cùng chức năng, khác hình dạng”, mà có thể trở thành “khác cả hình dạng lẫn bản đồ cảm biến”.

Nhưng sensor bị chôn bên trong sẽ sửa như thế nào?

Lợi ích của tích hợp sâu cũng là nhược điểm của nó.

Một cảm biến dán bên ngoài bị hỏng có thể tháo ra và thay thế. Một sensor nằm giữa dầm kim loại hoặc bị encapsulate trong composite thì không đơn giản như vậy.

Điều này đặt ra yêu cầu rất cao đối với độ bền, hiệu chuẩn và tuổi thọ. Nếu sensor có tuổi thọ ngắn hơn chính kết cấu, việc tích hợp có thể biến một chi tiết cơ khí bền 20 năm thành thiết bị phải bỏ sớm chỉ vì phần điện tử bên trong hỏng.

Thiết kế tương lai có thể cần nhiều mức tích hợp khác nhau: những sensor quan trọng và bền được chôn sâu; electronics cần thay thế được đặt ở module tiếp cận được; dữ liệu được truyền qua connector hoặc giao tiếp không dây.

Khác biệt nhiệt và cơ học giữa các vật liệu là một rào cản lớn

Kim loại, polymer, ceramic và mực dẫn điện giãn nở khác nhau khi nhiệt độ thay đổi. Chúng cũng có độ cứng, độ bền mỏi và khả năng bám dính khác nhau.

Nếu một dây dẫn mềm được nhúng trong vật liệu rất cứng, vùng tiếp giáp có thể trở thành nơi tập trung ứng suất. Nếu sensor chịu nhiệt kém, quá trình in kim loại có thể phá nó. Nếu vật liệu dẫn điện dễ oxy hóa hoặc bị ăn mòn, việc chôn sâu không tự động bảo đảm độ bền.

Do đó, “in sensor vào trong” không đơn giản là thêm một nozzle mới cho máy in. Nó là bài toán đồng thiết kế giữa vật liệu, hình học, quá trình chế tạo và electronics.

Một thách thức khác: hiệu chuẩn sensor sau khi đã trở thành một phần của kết cấu

Sensor riêng lẻ có thể được sản xuất, kiểm tra và hiệu chuẩn trước khi lắp. Sensor được in trực tiếp có thể có sai khác do hướng in, độ dày đường in, nhiệt độ, tốc độ đầu phun hoặc mức biến dạng cục bộ của cấu trúc.

Hai vật thể có cùng file CAD chưa chắc cho đáp ứng điện giống hệt nhau nếu quá trình in có sai số nhỏ.

Điều này khiến kiểm soát chất lượng trở thành một phần của bài toán sensing. Nhà sản xuất không chỉ cần kiểm tra hình dạng chi tiết sau khi in mà còn phải xác nhận từng kênh cảm biến và đường dẫn điện hoạt động đúng.

Trong sản xuất công nghiệp, một “smart structure” có thể cần bản đồ hiệu chuẩn riêng đi cùng serial number của chính nó.

Structural electronics có thể thay đổi cách bảo trì máy móc

Ngày nay, nhiều bộ phận trong máy bay, turbine, xe hoặc nhà máy được bảo trì theo lịch định kỳ. Kỹ sư thay thế hoặc kiểm tra chi tiết sau một số giờ vận hành ngay cả khi nó chưa thực sự hỏng.

Nếu kết cấu có mạng sensor nằm bên trong và theo dõi được biến dạng, nhiệt, tải chu kỳ hoặc dấu hiệu nứt, mô hình bảo trì có thể chuyển dần sang condition-based maintenance: sửa khi dữ liệu cho thấy chi tiết thực sự đang tiến gần trạng thái nguy hiểm.

Đây là nơi embedded sensing có giá trị lớn. Thông tin không chỉ đến từ vài sensor trên vỏ máy mà từ ngay bên trong các bộ phận chịu tải.

Một digital twin cũng trở nên hữu ích hơn nếu liên tục nhận dữ liệu thực từ chính cấu trúc mà nó đang mô phỏng.

Từ “Internet of Things” đến “Internet of Materials”?

IoT hiện nay thường bắt đầu bằng việc gắn electronics lên một vật thể: thêm sensor, radio và vi điều khiển để khiến nó kết nối được.

Structural electronics đặt ra một viễn cảnh khác. Vật thể ngay từ khi được sản xuất đã chứa các vùng dẫn điện, mạng cảm nhận và đường truyền tín hiệu.

Một chiếc ghế có thể biết phân bố lực trên mặt ngồi. Một khớp robot biết mức biến dạng của chính vật liệu. Một dầm biết lịch sử nhiệt và tải của nó. Một cấu trúc composite có thể báo sự xuất hiện của hư hỏng trước khi mắt người nhìn thấy.

Khi đó, “thông minh” không còn là một bo mạch được đặt bên trong vỏ. Nó trở thành thuộc tính của chính vật liệu và kiến trúc.

Chưa phải lúc mọi sản phẩm đều được in kèm sensor

Dù các kết quả nghiên cứu gần đây rất ấn tượng, công nghệ này vẫn chưa thay thế phương pháp sản xuất sensor truyền thống.

PCB, MEMS và chip silicon được sản xuất ở quy mô rất lớn với độ chính xác, độ tin cậy và chi phí mà in 3D chức năng hiện khó cạnh tranh.

Với nhiều sản phẩm, gắn một sensor tiêu chuẩn lên bề mặt vẫn rẻ hơn, dễ sửa hơn và đáng tin cậy hơn việc in một sensor tùy chỉnh.

Lợi thế của embedded 3D sensing xuất hiện rõ nhất ở những nơi mà hình học phức tạp, khả năng cá nhân hóa, vị trí đo bên trong hoặc độ mềm của cấu trúc quan trọng hơn chi phí linh kiện tuyệt đối.

Đó là lý do các ứng dụng hấp dẫn hiện nay tập trung vào robot mềm, aerospace, composite chịu lực, thiết bị y sinh, cấu trúc đặc thù và nghiên cứu structural health monitoring.

Cuộc chuyển đổi thật sự là từ “lắp ráp chức năng” sang “in ra chức năng”

In 3D từng được chú ý vì có thể tạo hình dạng mà gia công truyền thống khó làm được. Bước tiếp theo không chỉ là hình học phức tạp hơn, mà là vật thể được sinh ra với chức năng điện tử đã nằm trong cấu trúc.

Một ngày nào đó, file thiết kế của một robot có thể không tách riêng thân máy, dây điện và sensor. Nó có thể chứa toàn bộ bản đồ vật liệu: vùng nào mềm, vùng nào chịu lực, vùng nào dẫn điện, vùng nào đo biến dạng và vùng nào đóng vai trò ăng-ten.

Máy in khi đó không chỉ tạo ra “vỏ” để electronics sống bên trong. Nó tạo ra cả hệ thống cơ–điện như một thể thống nhất.

Điều này chưa xảy ra ở quy mô sản xuất đại trà, nhưng những nghiên cứu năm 2025–2026 cho thấy các mảnh ghép đang xuất hiện: sensor áp điện in nhúng trong composite, robot mềm với sensing tích hợp, mạng sensor trong dầm kim loại và phương pháp gia nhiệt vi sóng có thể xử lý electronics ngay bên trong vật liệu không trong suốt.

Vì vậy, câu hỏi trong tương lai có thể không còn là “gắn cảm biến ở đâu?”, mà là “phần nào của cấu trúc sẽ trở thành cảm biến?”.

Nguồn tham khảo

• Science Advances: Three-dimensional printing of nanomaterials-based electronics with a metamaterial-inspired near-field electromagnetic structure.
• Science Advances: Multimaterial 3D printed soft robots with embedded actuation and sensing.
• ACS Applied Materials & Interfaces / PubMed: Self-Sensing Composites via an Embedded 3D-Printed PVDF-MoS2 Nanosensor for Structural Health Monitoring.
• Progress in Additive Manufacturing: A convergent manufacturing pathway for smart metallic structures with embedded sensing.
• Wireless Sensing of Temperature, Strain and Crack Growth in 3D-Printed Metal Structures via Magnetoelastic and Thermomagnetic Inclusions.