Thấu kính graphene biết “tự lấy nét”: Camera tương lai có thể hoạt động giống mắt người

Camera hiện đại có thể lấy nét rất nhanh, nhưng phần lớn vẫn cần các cụm thấu kính cứng dịch chuyển bằng mô-tơ. Mắt người lại làm điều đó theo một cách mềm mại hơn: thay đổi hình dạng của thủy tinh thể để điều chỉnh tiêu điểm. Một nghiên cứu mới từ Queen Mary University of London đang đưa kỹ thuật quang học tiến gần hơn tới nguyên lý đó bằng một thấu kính mềm có thể thay đổi tiêu cự khi được kích hoạt bằng điện.

Điểm đặc biệt nằm ở lớp điện cực trong suốt làm từ reduced graphene oxide (rGO), hay graphene oxide khử. Điện cực này được tích hợp với một cơ cấu chấp hành đàn hồi điện môi để kéo giãn thấu kính polymer, làm thay đổi hình dạng và vị trí tiêu điểm mà không cần một hệ mô-tơ và bánh răng cồng kềnh.

Nghiên cứu do Giacomo Sasso và các cộng sự thực hiện, được công bố trên Advanced Functional Materials năm 2026 với DOI 10.1002/adfm.76426. Queen Mary University of London cho biết công nghệ có thể mở hướng cho camera tự lấy nét nhỏ hơn, kính thông minh, thiết bị thực tế ảo/tăng cường và các hệ thống chụp ảnh y tế thu nhỏ.

Thấu kính graphene mới hoạt động như thế nào?

Gọi đây là “thấu kính graphene” là cách nói ngắn gọn, nhưng về kỹ thuật, bản thân phần quang học của nguyên mẫu không được làm hoàn toàn từ graphene. Thiết bị sử dụng một thấu kính plano-convex bằng PDMS kết hợp với cơ cấu chấp hành đàn hồi điện môi có phủ điện cực rGO trong suốt.

Khi một điện trường được đặt lên cơ cấu chấp hành, màng mềm bị biến dạng theo phương hướng tâm. Chuyển động đó kéo giãn thấu kính, làm thay đổi độ cong và từ đó thay đổi tiêu cự. Nguyên lý này giống mắt người ở một điểm quan trọng: thay vì di chuyển cả cụm quang học tiến lùi, hệ thống thay đổi hình dạng của một phần tử mềm để điều chỉnh khả năng hội tụ ánh sáng.

Trong thử nghiệm được mô tả trong bài báo, thiết bị sử dụng thấu kính rộng khoảng 12,5 mm. Điện trường điều khiển trong khoảng 0–50 V/µm cho phép hệ thống lấy nét các mục tiêu trong khoảng 30–36 mm. Đây vẫn là một nguyên mẫu phòng thí nghiệm, nhưng nó chứng minh rằng điện cực rGO có thể vừa dẫn điện, vừa đủ trong suốt và đủ mềm để hoạt động ngay trên trục quang học.

Vì sao graphene oxide khử lại quan trọng?

Một trong những khó khăn lớn của thấu kính mềm điều khiển bằng điện là điện cực. Cơ cấu đàn hồi cần một lớp dẫn điện có thể co giãn theo màng, nhưng vật liệu dẫn điện thông thường thường quá cứng hoặc quá đục để đặt trực tiếp trên đường đi của ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu giải quyết bài toán này bằng cách phun phủ reduced graphene oxide lên màng đàn hồi. rGO có thể tạo thành một lớp dẫn điện rất mỏng và linh hoạt, nhờ đó điện cực có thể nằm ngay bên dưới thấu kính thay vì phải dồn ra vùng rìa.

Kiến trúc này giúp thiết bị nhỏ gọn hơn. Thay vì dành nhiều không gian cho cơ cấu truyền động cơ khí, phần tử quang học và cơ cấu chấp hành có thể được tích hợp gần như cùng một trục.

Điểm giống mắt người nằm ở khả năng “đổi hình để lấy nét”

Mắt người không lấy nét bằng cách kéo toàn bộ thủy tinh thể tiến hoặc lùi như cách nhiều hệ camera cơ khí di chuyển nhóm thấu kính. Cơ thể thay đổi hình dạng thủy tinh thể thông qua hệ cơ xung quanh, qua đó thay đổi công suất quang học để nhìn rõ vật ở những khoảng cách khác nhau.

Nguyên mẫu của Queen Mary không sao chép đầy đủ sinh học của mắt, nhưng tư duy thiết kế khá tương đồng: sử dụng một phần tử mềm, biến dạng có kiểm soát và điều chỉnh tiêu cự bằng chính sự thay đổi hình dạng đó. Các nhà nghiên cứu ví polymer điện hoạt động như một dạng “cơ nhân tạo”, vì nó có thể thay đổi hình dạng khi nhận tín hiệu điện.

Đây là khác biệt đáng chú ý so với nhiều cụm lấy nét truyền thống, nơi một mô-tơ phải dịch chuyển khối lượng của thấu kính qua lại. Nếu công nghệ mềm được tối ưu đủ tốt, hệ quang học có thể mỏng hơn, hoạt động êm hơn và giảm số lượng bộ phận chuyển động cơ học.

Nhưng “tự lấy nét” ở đây cần được hiểu chính xác

Nguyên mẫu hiện tại là một thấu kính điều chỉnh tiêu cự bằng điện, chưa phải một camera tự lấy nét hoàn chỉnh có khả năng tự nhận biết chủ thể và tự quyết định khoảng cách lấy nét.

Để trở thành hệ autofocus như trên smartphone hay máy ảnh, thiết bị vẫn cần một vòng điều khiển gồm cảm biến hình ảnh hoặc cảm biến khoảng cách, thuật toán xác định trạng thái nét và mạch điện điều khiển thấu kính. Nói cách khác, thấu kính mới cung cấp phần “cơ” có thể thay đổi tiêu cự; phần “não” quyết định phải lấy nét ở đâu vẫn cần được bổ sung.

Điểm hứa hẹn là cơ cấu đổi tiêu cự không nhất thiết phải dựa vào mô-tơ dịch chuyển thấu kính. Một camera tương lai có thể đo độ nét bằng cảm biến, sau đó thay đổi điện trường để làm biến dạng phần tử quang học cho tới khi đạt tiêu điểm mong muốn.

Camera có thể nhỏ và êm hơn nếu bỏ được mô-tơ lấy nét

Trong smartphone, kính AR/VR, robot và thiết bị y tế thu nhỏ, không gian là một tài nguyên rất đắt giá. Một cụm lấy nét cơ khí cần khoảng hành trình, hệ treo, mô-tơ và các chi tiết kiểm soát vị trí. Những thành phần này không chỉ chiếm thể tích mà còn tạo thêm điểm hỏng cơ học.

Thấu kính mềm điều khiển điện có thể thay đổi cách thiết kế camera theo ba hướng.

• Giảm cơ cấu chuyển động cứng: tiêu cự được thay đổi bằng biến dạng thay vì tịnh tiến cả cụm thấu kính.
• Thu nhỏ hệ quang học: điện cực và cơ cấu chấp hành có thể đặt trực tiếp trên cùng trục với thấu kính.
• Hoạt động êm: polymer điện hoạt động không cần bánh răng hay cơ cấu truyền động kiểu truyền thống.

Những ưu điểm này đặc biệt hấp dẫn với kính thông minh và headset thực tế tăng cường, nơi mỗi gram trọng lượng phía trước khuôn mặt đều ảnh hưởng tới trải nghiệm sử dụng.

Kính thông minh và AR/VR có thể là ứng dụng rất đáng chú ý

Một trong những bài toán khó của kính AR/VR là tạo hình ảnh ảo ở khoảng cách cảm nhận phù hợp với cách mắt đang hội tụ. Nếu hệ quang học có thể thay đổi tiêu cự nhanh và mỏng, nhà sản xuất có thêm một công cụ để xây dựng màn hình thích ứng tốt hơn với tầm nhìn của người dùng.

Queen Mary University of London cũng nêu kính đeo thông minh và thiết bị thực tế ảo/tăng cường trong nhóm ứng dụng tiềm năng. Ngoài ra, thấu kính mềm có thể hữu ích ở kính hiển vi thu nhỏ, nội soi, thiết bị chụp ảnh y tế và các hệ thống khoa học nơi cơ cấu lấy nét cơ khí làm tăng kích thước, khối lượng hoặc độ phức tạp.

Rào cản lớn nhất hiện nay: độ trong suốt của điện cực

Nghiên cứu cũng cho thấy công nghệ chưa sẵn sàng để thay thế ngay ống kính trên điện thoại hoặc máy ảnh. Vấn đề nổi bật là sự đánh đổi giữa khả năng dẫn điện và độ truyền sáng của rGO.

Khi nhóm nghiên cứu tăng mật độ rGO từ khoảng 0,10 lên 0,17 µg/mm², điện trở tấm giảm mạnh từ khoảng 600 xuống 15 kΩ/sq, nghĩa là điện cực dẫn điện tốt hơn. Tuy nhiên, độ truyền sáng tại bước sóng 550 nm đồng thời giảm từ khoảng 42% xuống 17%.

Đối với một hệ camera chất lượng cao, mất quá nhiều ánh sáng là vấn đề nghiêm trọng vì nó làm giảm lượng photon tới cảm biến, có thể ảnh hưởng tới độ nhạy, nhiễu và chất lượng ảnh trong điều kiện thiếu sáng. Chính nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận cần tiếp tục cải thiện độ trong suốt và tối ưu hiệu suất điện cực.

Một thách thức khác là điện áp điều khiển và độ bền

Thông số điện trường 0–50 V/µm cho thấy nguyên mẫu vẫn là một hệ nghiên cứu vật liệu và cơ cấu chấp hành, không phải linh kiện có thể đưa thẳng vào smartphone thương mại. Với các cơ cấu đàn hồi điện môi, điện trường lớn thường được tạo trên một lớp vật liệu rất mỏng, vì vậy thiết kế nguồn, cách điện và độ bền điện môi là những vấn đề phải được xử lý cẩn thận.

Ngoài ra, một thấu kính thương mại còn cần vượt qua các bài kiểm tra về số chu kỳ biến dạng, độ ổn định theo nhiệt độ, độ ẩm, sai số quang học, độ đồng nhất bề mặt, tốc độ đáp ứng và khả năng sản xuất hàng loạt. Nghiên cứu hiện tại mới chủ yếu chứng minh một kiến trúc khả thi.

Graphene không chỉ là vật liệu “siêu mỏng”, mà còn là điện cực chức năng

Graphene thường được nhắc đến nhờ độ mỏng ở cấp nguyên tử, độ bền cơ học và tính dẫn điện cao. Trong nghiên cứu này, giá trị thực tế không nằm ở việc dùng graphene như một thấu kính quang học phẳng, mà ở khả năng biến một vật liệu họ graphene thành điện cực vừa dẫn điện vừa mềm và có độ truyền sáng nhất định.

Đó là một vai trò ít hào nhoáng hơn nhưng có ý nghĩa kỹ thuật lớn. Nếu điện cực trong suốt và co giãn được tiếp tục cải thiện, chúng có thể hỗ trợ nhiều thiết bị quang học thích ứng, cảm biến mềm và hệ thống robot mềm chứ không chỉ riêng camera.

Camera tương lai có thực sự hoạt động giống mắt người?

Ở cấp độ nguyên lý, câu trả lời là có thể tiến gần hơn. Camera tương lai có thể dùng cảm biến để nhận biết mức độ mất nét, sau đó điều khiển một thấu kính mềm thay đổi hình dạng liên tục, tương tự cách mắt điều chỉnh công suất quang học để nhìn gần hoặc xa.

Tuy nhiên, cần tránh hình dung rằng nguyên mẫu hiện nay đã là một “mắt điện tử” hoàn chỉnh. Mắt người còn có cơ chế điều tiết, đồng tử, võng mạc, xử lý thần kinh và một hệ điều khiển sinh học cực kỳ phức tạp. Nghiên cứu của Queen Mary mới giải quyết một phần cụ thể: làm cho một thấu kính mềm có thể thay đổi tiêu cự bằng điện trong một cấu hình nhỏ gọn hơn.

Dù vậy, đây là bước tiến đáng chú ý vì nó tấn công đúng vào một trong những giới hạn cơ học lâu đời của hệ quang học: muốn đổi tiêu cự thường phải di chuyển hoặc tái cấu hình phần tử quang học. Khi vật liệu mềm và điện cực rGO đảm nhiệm được chuyển động này, camera có thêm một con đường mới để trở nên nhỏ, nhẹ và thích ứng hơn.

Từ nguyên mẫu tới sản phẩm còn một quãng đường dài

Thấu kính graphene mới chưa báo hiệu rằng camera trên điện thoại sắp bỏ mô-tơ lấy nét ngay trong một vài thế hệ sản phẩm. Độ truyền sáng, hiệu suất điện, độ bền và quy trình sản xuất vẫn cần được cải thiện đáng kể.

Nhưng giá trị của nghiên cứu nằm ở việc chứng minh một cấu trúc mới: điện cực rGO trong suốt có thể được tích hợp trực tiếp với cơ cấu chấp hành đàn hồi và thấu kính mềm để điều chỉnh tiêu cự bằng điện. Khi các vật liệu này tốt hơn, chúng có thể trở thành nền tảng cho camera tự lấy nét không cần cơ cấu dịch chuyển cồng kềnh.

Nếu hướng phát triển này thành công, “camera hoạt động giống mắt người” sẽ không chỉ là một phép so sánh. Nó có thể trở thành một nguyên tắc thiết kế thực sự: cảm nhận cảnh vật, xác định điểm cần nhìn rõ và thay đổi chính hình dạng của thấu kính để lấy nét.

Nguồn tham khảo: Giacomo Sasso và cộng sự, “Reduced Graphene Oxide Transparent Electrodes Enabling Compact Soft Tunable Lenses”, Advanced Functional Materials, 2026, DOI: 10.1002/adfm.76426; Queen Mary University of London, thông cáo nghiên cứu ngày 7/8/2026.