Giải thích bản chất cơ học của việc tiêm

 Câu trả lời đã được tiết lộ trong một bài báo mới xuất bản trên tạp chí Journal of the Mechanics and Physics of Solids, “Piercing soft solids: A mechanical theory for needle insertion” 1.

Mattia Bacca, trợ lý giáo sư tại trường đại học British Columbia, thường nhìn vào thế giới tự nhiên để tìm câu trả lời khi anh phải đối mặt với một bài toán kỹ thuật – ví dụ như cách một con tắc kè có thể bám dính vào một bề mặt với miếng đệm trên các ngón chân của nó, hoặc một con kiến có thể cắt xuyên một cái lá to gấp nhiều lần kích thước cơ thể của chúng.

Việc truyền cảm hứng từ thế giới sinh vật như vậy giúp cho tiến sĩ Bacca cùng với nghiên cứu sinh Stefano Fregonese trả lời được câu hỏi là cơ chế của việc đâm xuyên lên các vật liệu mềm như da chẳng hạn, như thế nào.

“Việc cắt xuyên diễn ra thường xuyên và phổ biến trong cuộc sống thường nhật của chúng ta”, Bacca giải thích. “Khi chúng ta nhai nghiền thức ăn, chúng ta cắt nhỏ mô để tiêu hóa nó. Hầu hết mọi loài trong thế giới động vật đều tiến hóa với năng lực cắt mô để cung cấp chất dinh dưỡng và tự vệ, nhờ vậy đã có được những đặc điểm hình thái và thể chất đặc biệt, cho phép quá trình này hiệu quả”. 

Họ đã tạo ra một lý thuyết về cơ chế để xác định lực tới hạn cần có cho việc ấn kim tiêm vào da – hiện tượng chủ yếu của đâm xuyên. Công trình của họ đem lại một mô hình bán phân tích đơn giản để miêu tả quá trình này, từ những đổi chiều đến phân tích phần tử hữu hạn.

Trong lĩnh vực kỹ thuật suốt nhiều thập kỷ, người ta đã quan tâm đến cơ học với việc cắt mô mềm, ban đầu với những tìm hiểu vào các đặc tính của cao su. Các cách tiếp cận trước đây là nhằm xác định lực cần thiết để xuyên một cái kim vào mô sau khi đâm vào nó, sử dụng các thực nghiệm vật lý vốn không đo đạc được hoàn toàn sự biến dạng và những cơ chế thất bại phức tạp trong việc phá vỡ bề mặt của một vật liệu mềm.

Trái lại, mô hình mới do Fregonese và Bacca tạo ra cuối cùng có thể dự đoán được lực đâm và đánh giá nó thông qua những thực nghiệm trước. Họ khám phá ra một điều là lực đâm xuyên của kim tỉ lệ thuận với độ dẻo của mô và tỉ lệ nghịch với bán kính của kim – nghĩa là độ mỏng của kim đòi hỏi ít lực hơn. Mặc dù cả hai quan sát này đều mang tính trực giác nhưng chúng cũng cung cấp dự đoán định lượng. Tuy nhiên, điều phản trực giác là vai trò của độ cứng vật liệu trong quá trình đâm xuyên. Độ cứng vật liệu tỉ lệ ngược với lực đâm xuyên, với các mô mềm đòi hỏi lực mạnh hơn (cùng độ mềm). Nhóm nghiên cứu ở UBC hiện đang thực hiện một số thí ngiệm thêm vào và tinh chỉnh mô hình để nhìn “sâu hơn” vào tính chất vật lý của vấn đề.

Cơ chế bám dính của các ngón chân tắc kè gợi ý cho các nhà nghiên cứu về nhiều ứng dụng trong cuộc sống 

Đến giờ thì những kết quả của họ đều đến từ những giải pháp từ thế giới động vật. Đầu tiên, Fregonese tham gia Phòng thí nghiệm Cơ học Micro & Nano của tiến sĩ Bacca qua một dự án liên quan đến cơ học trong bám dính của động vật như tắc kè. Khám phá những khoảng trống trong lĩnh vực này và bài toán cắt, họ bắt đầu tìm hiểu những vấn đề cơ bản của việc cắt và mối liên hê với sự tiến hóa về hình thái của động vật, với nhóm nghiên cứu quốc tế nghiên cứu về kiến cắt lá cùng chuyên gia cơ chế sinh học động vật David Labonte (Imperial College), chuyên gia lý sinh về cơ bắp Natalie Holt (đại học California). Họ hợp tác với tiến sĩ Kevin Golovin và tiến sĩ kỹ thuật cơ học Gwynn Elfring ở UBC để nghiên cứu về tương tác giữa đường đạn và chất sệt.

Mô hình lý thuyết mới của họ có thể giúp cho các kỹ sư phát triển rất nhiều ứng dụng như các thiết bị bảo vệ, các quá trình tự động hóa bao gồm thực phẩm và kỹ thuật về robot phẫu thuật mới nổi.

Nó có thể tác động đến cách mọi người trải nghiệm việc tiêm trong tương lai, điều mà luôn nằm trong đầu mọi người khi tiêm chủng COVID-19. Ví dụ công nghệ tương lai có thể cung cấp các lựa chọn như miếng gắn vi kim dùng một lần và có thể tự dùng – giống như thứ mà tiến sĩ Boris Stoeber của UBC từng thiết kế - được làm để xuyên qua da với độ sâu thích hợp và lực dùng thích hợp.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-07-mechanics.html

https://www.sciencetimes.com/articles/32480/20210727/piercing-works-scientists-uncover-mechanics-behind-puncture-soft-solids.htm