Không cần gắn chip cứng lên áo: Cách đan sợi mới biến chính quần áo thành một cỗ máy đổi hình

Một chiếc áo thông minh thường trở nên “thông minh” bằng cách gắn thêm cảm biến, dây dẫn, pin hoặc một bo mạch lên lớp vải vốn thụ động. Nhóm nghiên cứu tại Harvard đang thử một hướng khác: biến chính cấu trúc mũi đan thành cơ cấu cơ học có thể chuyển trạng thái, giữ hình dạng và tạo phản hồi xúc giác.

Trong nghiên cứu Knitting Multistability, công bố trên Advanced Functional Materials tháng 6/2026, Kausalya Mahadevan cùng các cộng sự cho thấy vải dệt kim ngang có thể được thiết kế để “snap” — bật nhanh — giữa nhiều cấu hình ổn định. Cơ chế này không phụ thuộc vào motor hay một khung cứng giấu bên trong. Nó xuất hiện từ ứng suất đã được cài vào tấm vải ngay trong quá trình đan và từ cách các vùng mũi đan khác nhau được bố trí.

Điểm cần nói rõ là nghiên cứu chưa tạo ra một chiếc áo điện tử hoàn toàn không cần chip. Các nguyên mẫu đếm bước và đèn báo của nhóm vẫn dùng sợi dẫn điện, Arduino hoặc mạch LED để đọc và hiển thị trạng thái. Điều mới nằm ở chỗ phần chuyển trạng thái cơ học — thứ thường phải giao cho nút bấm, bản lề, cảm biến hoặc cơ cấu cứng — có thể được thực hiện ngay bởi vải.

Vải không phẳng vì bên trong nó đã có sẵn ứng suất

Nhóm Harvard bắt đầu từ một hiện tượng rất quen thuộc: mép áo thun bị cắt thường tự cuộn lên. Đó không chỉ là chuyện thẩm mỹ. Nó cho thấy trong vải dệt kim tồn tại các ứng suất nội sinh do cách sợi bị kéo, uốn và khóa vào các vòng đan.

Trong thí nghiệm, các mẫu được sản xuất trên máy dệt kim ngang hai giường kim tự động, gồm Kniterate và Shima Seiki SWG. Với loại sợi lõi nylon-spandex đàn hồi được dùng ở phần lớn thử nghiệm, sợi bị kéo giãn khoảng 105% khi còn trên máy. Sau khi rời kim, nó muốn co lại nhưng không thể trở về trạng thái ban đầu vì đã bị khóa trong mạng các vòng sợi liên kết với nhau.

Nhóm nghiên cứu mô tả tấm vải như một cấu trúc hai lớp chịu ứng suất theo hai phương vuông góc. Ở một mặt, đường đi của sợi chủ yếu theo một hướng; ở mặt còn lại, hướng ưu tiên xoay gần 90 độ. Sự chênh lệch này khiến tấm vải tự cong, giống một vỏ đàn hồi mỏng đã được nạp sẵn ứng suất.

Thay vì cố loại bỏ hiện tượng cong đó, nhóm khai thác nó.

Từ mũi rib và garter tới một tấm vải có nhiều trạng thái ổn định

Bằng cách điều khiển mũi nào được đan trên giường kim trước và mũi nào ở giường kim sau, nhóm tạo các dải rib và garter có hướng nếp gấp khác nhau. Sau đó họ ghép các vùng này thành những ô hình học như Step, Windmill và đặc biệt là cấu trúc hình chữ H.

Các mẫu không phản ứng giống nhau. Một số chỉ biến dạng rồi trở lại hình cũ khi bỏ lực — trạng thái đơn ổn định. Một số khác có hiện tượng snap-through: lực tăng dần đến một ngưỡng, cấu trúc bất ngờ chuyển sang cấu hình khác và lực sụt xuống. Với những hình học phù hợp, cấu hình mới vẫn tồn tại ngay cả khi lực bên ngoài đã được gỡ bỏ. Đó là tính đa ổn định.

Có thể hình dung nó gần với cơ chế của công tắc đèn hơn là một miếng vải co giãn thông thường. Công tắc không cần người dùng giữ tay ở vị trí “on”; sau cú bấm, nó tự nằm trong trạng thái ổn định mới. Vải của Harvard cũng có thể giữ một nếp hoặc cấu hình mới sau khi đã “bật” qua ngưỡng cơ học.

Nhóm không chỉ quan sát hiện tượng bằng mắt. Họ đo đường cong lực–độ dịch chuyển và dùng mô phỏng phần tử hữu hạn để kiểm tra xem một mô hình vỏ hai lớp chịu ứng suất vuông góc có tái tạo được hình dạng và chuyển trạng thái hay không. Mô phỏng cho thấy cảnh quan năng lượng của cấu trúc xuất hiện nhiều cực tiểu — dấu hiệu cơ học của nhiều trạng thái ổn định.

Không cần một loại “sợi thần kỳ” duy nhất

Một điểm đáng chú ý là hiệu ứng không bị khóa vào đúng một vật liệu. Ngoài sợi nylon-spandex đàn hồi, nhóm còn thử len 100% và một loại “fluid rayon” pha viscose, spandex và nylon. Dù độ giãn, độ dày và bề mặt sợi khác nhau, các mẫu đan theo hình học phù hợp vẫn thể hiện chuyển trạng thái đa ổn định.

Nhóm cũng thay đổi kích thước vòng đan trên máy Shima Seiki và vẫn quan sát được đặc tính này. Điều đó gợi ý rằng cơ chế cốt lõi nằm nhiều ở hình học dệt kim và ứng suất do quá trình sản xuất, chứ không phải ở một hóa chất hoặc sợi chức năng độc quyền duy nhất.

Tuy vậy, “gợi ý khả năng mở rộng” khác với “đã sẵn sàng sản xuất hàng loạt”. Nghiên cứu mới lập bản đồ một phần nhỏ không gian thiết kế. Với riêng cấu trúc chữ H, nhóm khảo sát 27 tổ hợp hình học khác nhau để xem kích thước các vùng rib và garter thay đổi ngưỡng bật và trạng thái ổn định ra sao. Họ vẫn chưa có một quy tắc tổng quát có thể nhập hình dạng mong muốn rồi tự động sinh ra mọi mẫu đan cần thiết.

Khi sợi dẫn điện biến nếp gấp thành công tắc

Tính đa ổn định trở nên hữu dụng hơn khi nhóm đưa sợi dẫn điện vào đúng những gờ vải có thể chạm hoặc tách khỏi nhau. Khi hai vùng dẫn điện tiếp xúc, mạch đóng; khi cấu trúc bật sang trạng thái khác và chúng tách ra, mạch mở.

Nhóm tạo cả công tắc tạm thời lẫn công tắc giữ trạng thái. Ở loại tạm thời, vải trở về cấu hình ban đầu sau khi người dùng bỏ lực. Ở loại giữ trạng thái, vải tiếp tục ở trạng thái mới cho đến khi được tác động để bật ngược lại.

Cú bật cơ học còn tạo phản hồi xúc giác. Nhóm đo mức sụt lực cỡ 0,1 N trong một số cấu hình — nằm trong vùng mà con người có thể cảm nhận bằng tay. Vì vậy người mặc có thể biết công tắc đã chuyển trạng thái mà không cần nhìn màn hình hay đèn báo.

Trong một nguyên mẫu, công tắc vải được đặt qua khớp gối. Khi chân co và duỗi, hai gờ dẫn điện đóng–mở theo chu kỳ; Arduino đọc chu kỳ đó để đếm bước. Ở một nguyên mẫu khác, công tắc nằm tại khuỷu tay và điều khiển mũi tên LED trên tay áo, nhằm hỗ trợ tín hiệu rẽ khi đi xe đạp. Nhóm cũng đan một chụp đèn đa ổn định với ba công tắc giữ trạng thái; người dùng vừa thay đổi hình dáng chụp đèn vừa bật các tổ hợp ánh sáng khác nhau.

Điểm quan trọng không phải “áo không điện tử”, mà là điện tử có thể bớt việc

Nếu chỉ nhìn vào nguyên mẫu đếm bước, rất dễ đi quá xa và kết luận rằng Harvard đã loại bỏ chip khỏi quần áo thông minh. Dữ liệu của nhóm không hỗ trợ cách diễn giải đó: bộ đếm bước vẫn có Arduino, hệ thống tín hiệu vẫn có LED và dây dẫn.

Thay đổi thực sự nằm ở phân công chức năng. Vải không còn chỉ là nền để gắn thiết bị lên trên. Nó có thể đảm nhiệm một phần logic vật lý: xác định ngưỡng chuyển trạng thái, giữ trạng thái, tạo cảm giác “click” và biến chuyển động phức tạp của khớp thành tín hiệu nhị phân đóng/mở. Nhờ vậy, một thiết bị đeo trong tương lai có thể cần ít linh kiện cứng hơn hoặc đặt các linh kiện đó ở vị trí ít gây khó chịu hơn.

Đây cũng là lý do nhóm gọi các mẫu là một dạng mechanical metamaterial — vật liệu có hành vi hữu dụng đến từ cấu trúc hình học hơn là chỉ từ thành phần hóa học. Và vì các mẫu được làm trên máy dệt kim công nghiệp tương tự thiết bị trong nhà máy may mặc, con đường từ mẫu phòng lab đến quy trình sản xuất ít nhất không đòi hỏi phải phát minh lại toàn bộ công nghệ chế tạo.

Từ mẫu phòng lab tới quần áo thực dụng vẫn còn nhiều bài kiểm tra

Nghiên cứu mới chứng minh cơ chế và một số nguyên mẫu chức năng, chưa phải sản phẩm thương mại. Một mẫu đàn hồi được lặp phép thử kéo 10 lần và vẫn cho phản ứng đa ổn định có thể đảo ngược, nhưng con số đó chưa trả lời các câu hỏi quan trọng của ngành may mặc: hàng nghìn chu kỳ uốn thì sao, giặt máy có làm thay đổi ứng suất không, mồ hôi và độ ẩm ảnh hưởng thế nào đến sợi dẫn điện, hay sai lệch giữa các lô sản xuất có làm thay đổi ngưỡng “snap” hay không.

Khả năng dự đoán cũng còn hạn chế. Nhóm cho biết bước tiếp theo là phát triển mô hình đủ tốt để liên hệ trực tiếp mẫu đan với độ cong và đáp ứng cơ học mong muốn trên một không gian thiết kế rộng hơn. Khi đó, thay vì thử từng mẫu bằng tay, kỹ sư có thể thiết kế một vùng áo cần bật ở một lực nhất định rồi để phần mềm tính cấu trúc mũi đan tương ứng.

Nếu hướng này tiến xa hơn, quần áo thông minh sẽ không nhất thiết bắt đầu bằng câu hỏi “gắn cảm biến ở đâu”. Một phần chức năng có thể được quyết định ngay từ file dệt: mũi nào ở mặt trước, mũi nào ở mặt sau, vùng nào cần cong, vùng nào cần bật và trạng thái nào phải được giữ lại sau cú bật.

Nguồn chính: Advanced Functional Materials — Knitting Multistability; Harvard SEAS; bản đầy đủ trên arXiv.