Quần áo tương lai có thể “nhớ” trạng thái mà không cần pin?

Một chiếc áo bình thường không “nhớ” rằng bạn vừa kéo nó. Thả tay ra, sợi đàn hồi và cấu trúc dệt thường kéo vật liệu về trạng thái ban đầu. Nhưng một loại vải do các nhà nghiên cứu Harvard phát triển có thể làm điều ngược lại: sau một cú ấn hoặc kéo đủ mạnh, nó bật sang một hình dạng mới rồi ở nguyên tại đó cho tới lần tác động tiếp theo.

Điểm đáng chú ý là trạng thái này không cần motor giữ, không cần dòng điện chạy liên tục và cũng không cần pin chỉ để “nhớ”. Bộ nhớ nằm trong chính cơ học của tấm vải.

Nghiên cứu mang tên Knitting Multistability, do Kausalya Mahadevan và các cộng sự tại Harvard, Montana State University và Rice University thực hiện, được công bố trên Advanced Functional Materials năm 2026. Nhóm dùng kỹ thuật dệt kim ngang công nghiệp — loại quy trình vốn đã quen thuộc trong sản xuất đồ dệt — để tạo những tấm vải có nhiều trạng thái hình học ổn định.

“Nhớ” ở đây không phải bộ nhớ điện tử

Cách dễ hình dung nhất là một công tắc đèn cơ học. Công tắc có thể nằm chắc ở vị trí bật hoặc tắt. Bạn chỉ cần cung cấp năng lượng khi gạt nó qua điểm giữa; sau đó cơ cấu tự giữ trạng thái mà không cần tiếp tục dùng điện.

Trong vật lý, đặc tính này được gọi là multistability: một cấu trúc có từ hai cấu hình ổn định trở lên. Mỗi cấu hình tương ứng với một “hố năng lượng” cơ học. Muốn chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác phải vượt qua một rào năng lượng, nhưng sau khi đã vượt qua, cấu trúc tự nằm yên ở trạng thái mới.

Vì vậy, nói tấm vải “nhớ” trạng thái là một phép mô tả hữu ích nhưng cần hiểu đúng. Nó không lưu ảnh, số liệu hay hàng gigabyte như flash memory. Thứ nó lưu là một trạng thái vật lý rời rạc: cong theo hướng này hay hướng kia, bật hay tắt một tiếp điểm, hoặc ở một trong vài hình dạng đã được thiết kế sẵn.

Về nguyên tắc, đó là một dạng bộ nhớ cơ học không bay hơi: nếu không có lực đủ lớn đẩy nó qua ngưỡng chuyển trạng thái, hình dạng cũ vẫn được giữ lại mà không phải cấp năng lượng liên tục.

Làm sao biến sợi mềm thành một cấu trúc có thể “snap”?

Vải dệt kim thường mềm vì các vòng sợi có thể biến dạng và trượt tương đối với nhau. Nhóm Harvard không cố loại bỏ tính mềm này. Họ khai thác chính cách các vòng sợi tạo ứng suất bên trong vật liệu.

Nhóm sử dụng sợi có độ đàn hồi cao và kỹ thuật plating, cho phép bố trí các loại sợi khác nhau ở hai mặt của vải. Khi những vùng dệt có hướng và cấu trúc khác nhau được ghép theo các pattern ngang và dọc, ứng suất dư khiến tấm vải tự cong thành những bề mặt ba chiều.

Trong một số tổ hợp hình học, tấm vải không chỉ có một cấu hình cân bằng. Nó có thể bị ấn qua một điểm mất ổn định rồi snap-through — bật nhanh sang hình dạng thứ hai và giữ nguyên ở đó.

Đây là cùng nhóm hiện tượng phi tuyến từng được nghiên cứu ở vỏ cong, dầm bistable và các mechanical metamaterial. Điểm mới của nghiên cứu là tạo hành vi đó bằng weft knitting, thay vì phải đúc một vỏ polymer cứng hoặc chế tạo một cơ cấu riêng biệt.

Nhóm cũng xây mô hình số coi tấm dệt như một vật liệu liên tục thay vì mô phỏng từng vòng sợi riêng lẻ. Mục tiêu là xác định vùng tham số hình học và vật liệu nơi multistability xuất hiện, qua đó tiến gần hơn tới việc thiết kế một hành vi cơ học mong muốn rồi dịch nó thành pattern dệt.

Từ hình dạng ổn định tới công tắc bằng vải

Multistability tự nó chỉ tạo ra “nhớ hình dạng”. Để biến nó thành một linh kiện có thể kết nối với điện tử, nhóm nghiên cứu đưa các sợi dẫn điện mảnh vào cấu trúc dệt.

Khi tấm vải snap từ trạng thái này sang trạng thái khác, vị trí của các sợi dẫn thay đổi và có thể đóng hoặc ngắt một mạch điện. Kết quả là một soft conductive switch: công tắc mềm, co giãn và được dệt trực tiếp vào vật liệu.

Trong một demo, nhóm tạo một shell dệt có thể bật qua lại giữa hai trạng thái để điều khiển LED. Một thiết bị khác gắn vùng multistable quanh đầu gối hoặc khuỷu tay; mỗi lần khớp chuyển động đủ để làm cấu trúc snap, trạng thái điện có thể được Arduino đọc để đếm bước hoặc ghi nhận chuyển động. Họ còn tạo một chụp đèn có ba công tắc multistable riêng, mỗi công tắc điều khiển một màu ánh sáng.

Phần “snap” cũng tạo phản hồi xúc giác. Người mặc không chỉ tạo ra một tín hiệu điện mà còn cảm nhận được thời điểm cấu trúc chuyển trạng thái, tương tự cảm giác bấm một nút cơ học.

Không cần pin để giữ trạng thái — nhưng chưa phải quần áo điện tử không pin

Đây là điểm cần tách rất rõ.

Trạng thái cơ học của tấm vải không cần nguồn điện để được duy trì. Sau khi snap, cấu trúc tự ổn định nhờ hình học và ứng suất bên trong. Đây chính là lợi thế so với một actuator phải liên tục tiêu thụ năng lượng để giữ một hình dạng.

Nhưng nếu muốn đọc trạng thái bằng vi điều khiển, bật LED, truyền dữ liệu qua Bluetooth hoặc chạy thuật toán phân tích chuyển động, hệ điện tử đi kèm vẫn cần năng lượng. Trong demo đếm bước, Arduino là phần đọc công tắc; nghiên cứu không tuyên bố toàn bộ hệ wearable hoạt động không cần pin.

Nói cách khác, nhóm Harvard đã loại bỏ nhu cầu cấp điện cho việc giữ trạng thái, không phải loại bỏ toàn bộ nhu cầu năng lượng của một thiết bị wearable hoàn chỉnh.

Điều này vẫn có giá trị. Trong một hệ thống mặc trên người, mỗi chức năng không cần phải có actuator, sensor và bộ nhớ điện tử riêng. Nếu một biến cố cơ học có thể tự để lại dấu vết trong hình dạng hoặc trạng thái tiếp xúc của vải, phần electronics có thể chỉ cần kiểm tra nó theo từng thời điểm thay vì liên tục giữ một trạng thái bằng điện.

Một “bit” có thể nằm trong hình học của quần áo

Cách nhìn thú vị hơn không phải “áo có bộ nhớ như SSD”, mà là vật liệu tự mang một phần logic trạng thái.

Một patch bistable có hai trạng thái có thể được xem gần giống một bit cơ học. Một cấu trúc có nhiều trạng thái ổn định có thể biểu diễn nhiều trạng thái hơn. Nếu nhiều phần như vậy được đặt trên một garment, về nguyên tắc chúng có thể ghi nhận một chuỗi sự kiện cơ học hoặc cấu hình của cơ thể mà không cần mỗi điểm phải là một sensor điện tử luôn bật.

Tất nhiên, từ vài công tắc dệt tới một “fabric computer” còn là khoảng cách lớn. Các trạng thái cơ học phải đủ khác biệt để đọc tin cậy, lực kích hoạt phải phù hợp với cơ thể, và thiết bị phải chịu được hàng nghìn lần gập, kéo, giặt và biến dạng mà không làm ngưỡng snap trôi đi.

Nhưng ý tưởng này thay đổi cách thiết kế smart textile. Thay vì lấy vải bình thường rồi gắn sensor, motor và mạch điện lên trên, nhà thiết kế có thể khiến cấu trúc dệt tự đảm nhiệm một phần chức năng: cảm giác bấm, chuyển trạng thái, giữ hình dạng hoặc đóng-ngắt tiếp điểm.

Vì sao kỹ thuật dệt công nghiệp quan trọng?

Nhiều mechanical metamaterial được tạo bằng in 3D, lithography hoặc các quy trình chế tạo chuyên dụng. Điều đó phù hợp trong lab nhưng chưa chắc phù hợp với một chiếc áo có diện tích lớn.

Nhóm Harvard dùng các máy tương tự máy dệt kim công nghiệp vốn đã được sử dụng trong nhà máy may mặc. Đây là một lợi thế về hướng sản xuất: pattern có thể được lập trình trên máy, còn chức năng xuất hiện từ lựa chọn sợi và cách các vùng stitch được bố trí.

Tuy nhiên, “dùng máy công nghiệp” không đồng nghĩa sản phẩm đã sẵn sàng sản xuất hàng loạt. Một garment thương mại còn phải giải quyết độ bền khi giặt, ma sát với da, độ thoáng, khả năng chống mỏi, tính nhất quán giữa các lô dệt, kết nối điện bền vững và cách xử lý khi người mặc vô tình kích hoạt trạng thái.

Từ công tắc mềm tới quần áo thay đổi hình dạng

Harvard nêu ba hướng ứng dụng chính: theo dõi chuyển động, phản hồi xúc giác và textile có thể tự thay đổi hình dạng theo yêu cầu. Trước đó, nhóm cũng trưng bày các cấu trúc multistable tại Harvard ArtLab, từ wall hanging có thể kéo để lộ nội dung tới các vật thể dệt ba chiều giữ được hình dạng sau khi người dùng tương tác.

Ở wearable, khả năng giữ một cấu hình mà không dùng năng lượng liên tục đặc biệt hấp dẫn cho những bộ phận chỉ cần đổi trạng thái thỉnh thoảng: vùng hỗ trợ cơ thể có hai mức độ cứng, chi tiết phản quang bật ra khi cần, nút điều khiển dệt vào tay áo, hoặc giao diện haptic có thể được “set” rồi giữ nguyên.

Nhưng paper hiện tại là nghiên cứu vật liệu và thiết bị proof-of-concept, không phải một mẫu áo hoàn chỉnh có thể tự thích nghi với người mặc. Điều nhóm đã chứng minh là cơ chế cơ học, cách thiết kế vùng multistable và một số demo switch/sensor.

Bước tiếp theo nằm ở độ bền và khả năng thiết kế có hệ thống: liệu cùng hành vi snap có được duy trì sau nhiều chu kỳ sử dụng và giặt hay không, có thể đặt hàng chục hoặc hàng trăm vùng multistable trên một garment mà chúng không ảnh hưởng lẫn nhau hay không, và các nhà thiết kế có thể đi từ “tôi muốn lực kích hoạt X, hình dạng Y” tới một pattern dệt tương ứng một cách tự động hay không.

Nếu những bài toán đó được giải quyết, smart clothing có thể bớt phụ thuộc vào việc gắn thêm nhiều linh kiện cứng. Một phần “trí nhớ” của thiết bị khi ấy không nằm trong chip — mà nằm ngay trong cách các sợi được đan với nhau.

Ảnh: Kausalya Mahadevan với một cấu trúc dệt multistable tại Harvard ArtLab. Matt Goisman/Harvard SEAS.

Nguồn tham khảo

• Kausalya Mahadevan et al., “Knitting Multistability”, Advanced Functional Materials, 2026.
• Harvard SEAS, “Oh, Snap: Fabrics With Multiple Stable Shapes”, 15/7/2026.
• Harvard SEAS, “Fabric That Holds Its Shape”, 26/2/2026.
• Mahadevan et al., bản preprint của Knitting Multistability trên arXiv.
• Bertoldi Group — mã mô phỏng đi kèm nghiên cứu.