Cuộc cách mạng công nghệ toàn cầu 2020

Để cụ thể hoá các Nghị quyết của Đảng, với sự chỉ đạo đúng đắn của Chính phủ, Bộ Khoa học và Công nghệ đã có nhiều nỗ lực trong việc đổi mới cơ chế, chính sách, hoàn thiện hệ thống pháp

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học và công nghệ (KH&CN) thế giới đã và đang phát triển theo quy luật, đi từ

sự thống nhất đến chuyên môn hóa, sau đó lại trở về sự thống nhất với trình độ cao hơn, theo chu kỳ xoắn ốc, trong đó các lĩnh vực khoa học liên ngành, đa ngành như công nghệ sinh học (CNSH), công nghệ thông tin và truyền thông (CNTT&TT), công nghệ nano (CNNN) đang hứa hẹn mang lại những thành tựu to lớn phục vụ trực tiếp đời sống của nhân loại

Cách đây hơn một thập kỷ, Đảng và Nhà nước ta, với tầm nhìn chiến lược đã định hướng ưu tiên phát triển các lĩnh vực: CNTT, CNSH, công nghệ thự động hoá, công nghệ vật liệu mới … Để cụ thể hoá các Nghị quyết của Đảng, với sự chỉ đạo đúng đắn của Chính phủ, Bộ Khoa học và Công nghệ đã có nhiều nỗ lực trong việc đổi mới cơ chế, chính sách, hoàn thiện hệ thống pháp luật về KH&CN, đồng thời đã có sự định hướng đầu tư đúng đắn vào các ngành công nghệ nói trên nên bước đầu đã đạt được những kết quả đáng khích lệ trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y tế…góp phần phát triển kinh tế-xã hội và hội nhập kinh tế quốc tế của đất nước

Việc tiếp tục nghiên cứu các xu hướng phát triển các ngành KH&CN chủ đạo nói trên để nắm bắt được những thành tựu xuất hiện của các ngành đó nhằm ứng dụng vào điều kiện thực tiễn của nước ta là một vấn đề được giới nghiên cứu rất quan tâm, mặt khác nhằm cung cấp thông tin tham khảo cho các chuyên gia nghiên cứu xây dựng Chiến lược phát triển KH&CN đến năm 2020, Chương trình đổi mới công nghệ quốc gia, Chương trình ứng dụng và phát triển công nghệ cao là rất cần thiết Với tình thần

đó, Trung tâm Thông tin KH&CN Quốc gia xuất bản Tổng luận ”CUỘC CÁCH MẠNG CÔNG NGHỆ TOÀN CẦU 2020”, bao hàm dự báo xu hướng phát triển tới

năm 2020 các ngành khoa học và công nghệ trọng điểm nói trên

Xin trân trọng giới thiệu

TRUNG TÂM THÔNG TIN KH&CN QUỐC GIA

I CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

I.1 Một số xu hướng quan trọng

Trong thế kỷ XXI, CNTT vẫn là một lĩnh vực công nghệ trung tâm Sự phát triển của các ngành KH&CN tiên tiến cần phải dựa trên nền tảng của CNTT Tuy nhiên, CNTT sẽ được kết hợp một cách hữu cơ trong các thiết bị, linh kiện, góp phần làm tăng chất lượng cho các sản phẩm đó

Những xu hướng của CNTT sẽ có ảnh hưởng đáng kể tới đời sống chính trị và xã hội từ nay tới năm 2020 gồm:

1 Xu hướng hội tụ các công nghệ

Hiện tại, nhiều dịch vụ và sản phẩm đều có sự kết hợp với CNTT Ví dụ, mọi người có thể truy cập Internet thông qua máy thu hình cáp hay điện thoại Họ cũng có thể sử dụng máy điện thoại di động của mình để giữ và đọc Email, lướt Web hoặc nhắn tin tức thời Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách để có thể truy cập Internet băng thông rộng nhờ đường dây tải điện với ý đồ cạnh tranh với các hãng điện thoại hoặc cung cấp dịch vụ truyền hình cáp

Sự hội tụ các công nghệ và chức năng sẽ tiếp tục là mục tiêu của các sản phẩm kỹ thuật

số từ nay đến năm 2020 Công việc này sẽ được tạo điều kiện bởi những phát triển trong kỹ thuật nối dây và các vật liệu tải thông tin số, có thể sẽ nhờ đến những thành tựu của mạng quang Điện thoại, truyền hình, radio, máy tính cá nhân, truy cập Internet, nguồn điện và thậm chí cả đèn điện trong phòng đều có thể được kết hợp trong 1 sản phẩm Vải và máy tính cũng sẽ được kết hợp với nhau, tạo ra loại vải thông minh (thích ứng với thời tiết), các máy tính mang trên người

2 Dữ liệu sẽ có mặt ở khắp nơi

Tới năm 2020, do nhiều công nghệ được phát triển để bao hàm các cơ cấu theo dõi và cảm nhận, nên một lượng lớn dữ liệu liên quan đến cá nhân sẽ được tạo ra, như nhận dạng, địa điểm, thói quen, hành vi Cần phải có sự hiểu biết về những nguy cơ mà công nghệ khai thác dữ liệu (Data Mining) có thể đưa lại đối với vấn đề riêng tư cá nhân Với một lượng dữ liệu lớn có được, cũng cần phải xét đến và giải quyết vấn đề chất lượng, không chỉ ở sự trùng lắp hay tính chính xác, mà cả khả năng lưu trữ và truy cập trong một khoảng thời gian

đủ ngắn Về bộ nhớ, các cấu trúc nano đang chứng tỏ những triển vọng khả quan Bộ nhớ hữu cơ cũng được hoàn thiện về dung lượng nhớ, đồng thời dễ sản xuất, giúp hạ giá thành

3 Công nghệ cơ sở dữ liệu

Với triển vọng phát triển của CNTT, công nghệ cơ sở dữ liệu (CSDL) đang trở nên quan trọng hơn nhiều so với thời gian trước đây Các nhà nghiên cứu CNTT cần phải hoàn thiện tiếp công nghệ này để ứng phó với những thay đổi có thể xảy ra về bản chất và khối lượng thông tin

Như đã đề cập ở trên, do dữ liệu được sản sinh và truyền tải ngày càng nhiều hơn, nên sẽ phải cần đến các CSDL và công nghệ để phân loại, lưu trữ, tách rút và phân tích thông tin

Các CSDL này sẽ phải được cập nhật thường xuyên và cần có thêm thông tin về bối cảnh

để mô tả bản chất của dữ liệu Công nghệ CSDL hiện tại thường chú trọng nhiều đến các CSDL phân tán, nhưng chúng ta có thể phải tiến tới có được các CSDL lớn, tập trung để có được các thông tin khi cần thiết Cái chúng ta có thể sẽ có được vào năm 2020 là một CSDL

để tìm kiếm thông tin mau lẹ (Agile Database), trong đó những kho dữ liệu lớn có thể dễ dàng phân ra thành các bộ phận hoặc cấu trúc lại để tách rút được những thông tin thật cần thiết cho những tình huống cụ thể

4 Xu hướng tiến tới các thiết bị và nguồn điện ngày càng nhỏ, cơ động

Các thiết bị điện tử sẽ ngày càng có kích thước nhỏ, nhẹ, thường được kết nối bằng công nghệ không dây và cơ động Vì xu hướng này vẫn tiếp diễn, nên sẽ ngày càng có nhu cầu đối với các nguồn năng lượng thay thế, có kích thước nhỏ, nhẹ, cơ động và thời gian cấp điện dài Hoạt động nghiên cứu về các nguồn điện thay thế, có khả năng tái sinh sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển tiếp theo của các thiết bị điện tử nhỏ, di động

Song song với xu hướng này, các máy tính có tính năng cao sẽ được đưa vào các cụm máy nhỏ hơn và rẻ hơn Các máy này có khả năng thay đổi cấu hình để đáp ứng nhu cầu tính toán theo những tình huống đặt ra Chúng ta sẽ có được CNTT đáp ứng theo bối cảnh (Opportunistic IT), trong đó các mạng và ứng dụng sẽ tuân theo quy luật bầy đàn (Swarm) Các mạng máy tính sẽ phản ánh các mạng xã hội và khi cần, các cấu hình phần cứng và phần mềm của chúng có thể được cấu trúc lại để đáp ứng nhu cầu cụ thể

1.2 Thông tin di động và hệ thống nhận dạng vô tuyến

CNTT là một lĩnh vực có phạm vi rất rộng, vì vậy ở đây đề cập tới lĩnh vực thông tin di động (TTDĐ) và hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến (FRID), được dự báo là có liên quan nhiều đến các nước đang phát triển có trình độ công nghệ trung bình

Những chức năng cơ bản của các thiết bị TTDĐ đã được tăng cường rất nhiều ở thập kỷ vừa qua Những thiết bị mà trước đây được chế tạo chỉ có ý định dùng để trao đổi dữ liệu bằng lời nói nay đã trở thành những sàn cảm biến, xử lý, lưu trữ và truyền thông đa chức năng, có khả năng trao đổi rất nhiều loại hình dữ liệu, trên cơ sở sử dụng nhiều chế độ truyền thông khác nhau Những tiến bộ gần đây cả trong lĩnh vực công nghệ lẫn lĩnh vực thiết kế cho thấy xu hướng này sẽ còn tiếp diễn trong thập kỷ tới

Sự nổi lên của các hệ FRID giá rẻ, tinh xảo đang định hình lĩnh vực TTDĐ Các cơ cấu FRID hiện đã có mặt rộng khắp ở những ứng dụng như giám sát vật tư, nhận dạng cá nhân, kiểm soát truy cập và rất nhiều các loại giao dịch thương mại Hiện chúng cũng đang chuẩn

bị kết hợp vào các thiết bị TTDĐ

Các thiết bị TTDĐ kết hợp nhiều công nghệ khác nhau như màn hình, bộ nhớ dữ liệu và mạch tích hợp và cảm biến tiên tiến Sự phát triển của các công nghệ này sẽ quyết định hướng đi của các sàn điện toán di động trong thập kỷ tới

Các thiết bị TTDĐ và hệ thống FRID đều bao gồm nhiều cấu phần công nghệ khác nhau

Ở mỗi cấu phần công nghệ, tính năng hoặc chức năng của nó có thể được tăng cường bằng

cách hoàn thiện công nghệ chế biến các vật liệu hiện có hoặc nhờ áp dụng các vật liệu mới tiên tiến hơn Thay đổi phương thức chế tạo mỗi cấu phần hoặc cải tiến việc kết hợp các cấu phần cũng có thể đem lại lợi ích Dưới đây đề cập tới những tiến bộ của 4 công nghệ then chốt nằm trong các TTDĐ và FRID là:

Có 4 công nghệ màn hình đang nổi lên, thu hút sự quan tâm đặc biệt là:

- Màn hình sử dụng điot phát sáng hữu cơ (OLED);

- Màn hình sử dụng điot phát sáng polyme (PLED);

- Giấy điện tử sử dụng mực điện tử;

- Các hệ chiếu video

OLED và PLED có tiềm năng đem lại hiệu quả lớn nhất cho các thiết bị điện toán và TTDĐ Cả 2 công nghệ đều có ưu điểm là tiêu thụ ít năng lượng Chúng cũng không cần phải có đèn chiếu sáng phía sau, giúp cho màn hình được chế tạo nhỏ hơn và mỏng hơn, ngoài ra có thể in được lên các chất nền mềm, giúp giảm chi phí sản xuất

a Màn hình OLED

Hiện tại, nghiên cứu nâng cao tính năng và hiệu suất của OLED tập trung vào sử dụng các tạp chất kim loại, hữu cơ để cải thiện hiệu suất lượng tử và hiển thị Công trình nghiên cứu gần đây cũng xem xét việc kết hợp các dendrimer huỳnh quang hoặc photpho vào OLED để tăng cường chuyển vận điện tích và phát quang

Tháng 5/2008, 11 công ty hàng đầu trong lĩnh vực OLED đã thành lập Hiệp hội OLED, gồm Cambridge Display, Corning, DuPont, Eastman Kodak, eMagin v.v… Nhiệm vụ của Hiệp hội là trao đổi thông tin kỹ thuật, đóng vai trò là nguồn lực cho các nhà đầu tư, xúc tiến tiêu chuẩn hóa, thúc đẩy thị trường Với ưu thế là có phạm vi kỹ thuật và địa lý rộng lớn, cũng như sự có mặt của cả những doanh nghiệp lớn lẫn doanh nghiệp nhỏ, Hiệp hội sẽ

là một cơ sở mạnh để thúc đẩy sự tiến bộ của các ứng dụng OLED

b Màn hình PLED

Màn hình này cũng tương tự như OLED, nhưng khác ở chỗ là có thể chế tạo trên những chất nền lớn, mềm, trên cơ sở sử dụng kỹ thuật in phun Điều này có thể giúp giảm bớt chi phí sản xuất Nghiên cứu gần đây cho thấy khả năng kết hợp PLED với tranzito màng mỏng polysilic để tăng độ phân giải (230 điểm/inch), được phun lên chất nền mềm làm từ thép không rỉ Các nghiên cứu cũng đang tiến hành để phát triển những tiền tố hóa chất thân thiện với môi trường hơn phục vụ cho PLED Những tiến bộ trong việc nâng cao tính năng, giảm thiểu độc hại liên quan đến quá trình chế tạo, mở rộng phạm vi của các chất nền khả dĩ

sẽ giúp cho cả PLED lẫn OLED còn hấp dẫn hơn nữa đối với TTDĐ Do sự tương tự của 2 công nghệ, một số hãng chuyên về OLED cũng đang phát triển các công nghệ PLED

c Giấy điện tử sử dụng mực điện tử

Đây là một công nghệ màn hình mới nổi lên Mực điện tử sử dụng nguồn năng lượng rất nhỏ và có thể được in lên rất nhiều loại chất nền khác nhau Điều này cho phép đối với các màn hình có thể cuộn lại, tạo khả năng có được các màn hiển thị lớn hơn, có thể mở rộng diện tích, thường không thể tạo ra được nếu sử dụng các công nghệ thông thường

Hiện đã có một số thiết bị thương mại đã áp dụng công nghệ mực điện tử Ví dụ, điện thoại di động W61H của Hitachi cho phép người dùng thay đổi diện mạo bên ngoài của điện thoại bằng cách sử dụng mực điện tử để hiển thị tới 95% số đồ họa được tạo ra từ trước Đồng hồ Speotrum của Seico sử dụng mực điện tử để hiển thị thời gian Đồng hồ PHOSPHOR của ArtTech cho phép người dùng chuyển mặt đồng hồ từ trắng trên đen sang đen trên trắng và hiển thị thời gian, dữ liệu hoặc logo Một nhánh nghiên cứu tích cực tập trung vào vấn đề mô tả đặc trưng các hạt điện tích cho các màn hình sử dụng mực điện tử Một công trình nghiên cứu khác nhằm phát triển những ứng dụng mực điện tử đối với các hình ảnh màu

Công ty Eink hiện đang là nhà công nghiệp hàng đầu về các công nghệ màn hình mực điện tử Gần đây, công ty hợp tác với LG Philips LCD triển khai các màn hình mềm 14,3 inch có độ phân giải cao Công ty cũng tích cực đối tác với các nhà chế tạo điện tử khác trên thế giới, chẳng hạn như Wacom để áp dụng công nghệ màn hình mực điện tử cho TTDĐ

d Các hệ chiếu video

Hệ chiếu video hoặc là được kết hợp vào điện thoại di động, hoặc được dùng làm đèn chiếu phụ trợ Ba công ty đang đưa ra những cách tiếp cận riêng đối với công nghệ gồm:

- Microvision sử dụng laser diot với gương quét vi cơ để tạo hình ảnh;

- Texas Instrument sử dụng công nghệ xử lý ánh sáng số (DLP), trong đó các dãy gương chiếu ra hình;

- Explay sử dụng kết hợp điot phát quang (LED), điot laser và các dãy vi thấu kính Một số công nghệ đã được khai phá để cải thiện các dãy vi gương và các cấu phần khác của đèn chiếu, gồm:

- LED;

- Các nguồn laser đỏ, xanh lam và xanh lục;

- Các hệ vi cơ điện (MEM)

Trong tương lai, các hệ thống nano cơ điện (NEM) có thể giúp cải thiện tính năng của màn hình chiếu video

2 Bộ nhớ

Những bước tiến nhanh chóng của thiết bị nhớ và lưu trữ dữ liệu đã giúp phổ cập rộng rãi các thiết bị điện toán di động Nếu vào năm 1998, các thiết bị nhớ flash, chẳng hạn như thường được dùng trong các camera số, có dung lượng nhớ là 256 MB, thì ngày nay, con số

đó lên tới 16 giga, tức là tăng gấp 62,5 lần

Ngoài bộ nhớ flash, một số công nghệ đang được triển khai mới nổi lên là:

- Bộ nhớ sử dụng ống nano cacbon, hoặc bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dựa vào ống nano (chẳng hạn như NRAM của Nantero);

3 Pin và các thiết bị tích trữ năng lượng

Trong số 4 công nghệ cấu phần của TTDĐ, thì pin và các thiết bị tích trữ năng lượng, do đóng vai trò quyết định khoảng thời gian hoạt động trước khi phải xạc lại, nên có tiềm năng lớn nhất để ảnh hưởng tới sự tăng trưởng tương lai của các thiết bị điện toán di động Mặc

dù thập kỷ qua, tốc độ hoàn thiện tính năng của các bộ nguồn điện pin/acquy là không bằng

bộ nhớ hoặc mạch tích hợp, nhưng những tiến bộ gần đây trong sử dụng các vật liệu được tạo ra ở cấp nano đã đặt nền móng cho những bước tiến quan trọng trong những năm sắp tới Đặc biệt, các điện cực được cấu trúc hóa ở cấp nano là một lĩnh vực nghiên cứu cực kỳ sôi động Một số công trình đang nghiên cứu những hợp chất và cấu trúc khác nhau dùng cho các điện cực của pin lithium-ion được cấu trúc ở cấp nano

Những công nghệ đang nổi có nhiều hứa hẹn nhất:

số ưu điểm như sau:

- Hợp phần của chúng là vật liệu rắn, chứ không dựa vào các chất ướt

- Chúng có thể hoạt động ở phạm vi nhiệt độ rất rộng

- Tuổi thọ cao

- Có thể được sản xuất theo nhiều khuôn dạng khác nhau

- Giá thành sản xuất tính theo đơn vị diện tích là không đổi

b Siêu tụ điện (Ultracapicitor)

Thường được coi là thiết bị thay thế acquy trên ôtô điện, các siêu tụ điện cũng đang được cân nhắc để dùng cho TTDĐ tương lai Chúng từ lâu đã trở nên cần thiết cho lĩnh vực này

vì có khả năng chịu được va đập và nhiệt độ Tuy nhiên, những giới hạn trước đây đối với

bề mặt điện cực của các siêu tụ điện cho thấy chúng phải có kích thước lớn hơn nhiều để chứa được lượng điện tích như phần lớn các pin thông thường Công trình nghiên cứu gần đây về sử dụng các ống nano cacbon và những vật liệu cấu trúc cấp nano đã cho phép tạo ra những điện cực có diện tích bề mặt lớn hơn, có năng lực tích điện cao hơn

Hai công ty hàng đầu đang phát triển các siêu tụ điện là Maxwell và EEstor Năm 1999, Maxwell đã nhận được tài trợ của Chương trình Công nghệ tiên tiến của Mỹ để nghiên cứu nhằm giảm chi phí và nâng tính năng của vật liệu trong siêu tụ điện phục vụ cho ôtô và các

thiết bị điện tử Tháng 7/2006, Chính phủ Trung Quốc cấp chứng chỉ cho các sản phẩm BOOSTCAP của Maxwell để tích trữ năng lượng trên ôtô Tháng 11/2007, Maxwell đã phát triển được bộ nguồn điện kết hợp cả siêu tụ điện lẫn pin Li-ion

Cho đến nay, đối thủ chủ yếu của Maxwell trong lĩnh vực siêu tụ điện, Eestor, ít tiết lộ thông tin về các kế hoạch thương mại hóa của công ty Nhưng theo Technology Review, EEstor gần đây đã cấp phép sử dụng siêu tụ điện của công ty cho hãng Lockheed để sử dụng trong mọi thiết bị, từ các cảm biến từ xa cho đến các bộ nguồn di động

c Pin nhiên liệu

Đây là công nghệ đang được khai phá để phục vụ cho TTDĐ Các công ty hiện đã bắt đầu tiếp thị những pin nhiên liệu có thể được dùng để cấp điện cho các thiết bị điện tử hiện

có Tuy nhiên, tầm nhìn tương lai là chúng sẽ thay thế cho các pin hiện nay ở thiết bị Các nhà nghiên cứu ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) gần đây đã phát triển những vật liệu mới để tăng lượng điện sản ra của các pin nhiên liệu, khiến chúng trở nên hấp dẫn hơn cho các thiết bị điện tử di động nói chung và TTDĐ nói riêng

Mặc dù công nghệ này có hứa hẹn rất lớn, nhưng để pin nhiên liệu được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và TTDĐ, cần phải nghiên cứu tiếp tục về kỹ thuật thiết kế và mô

tả đặc trưng của chúng và cần tìm ra các giải pháp cho một số thách thức thị trường (ví dụ như cách thức cung cấp nhiên liệu cần thiết cho pin, như ethanol chẳng hạn) Tuy nhiên, một số công ty lớn đang tích cực phát triển và tiếp thị các công nghệ pin nhiên liệu ethanol dùng cho thiết bị điện tử di động Những công ty này gồm Sony và MTI Micro Ngoài ra, Samsung đang phát triển pin nhiên liệu cho thiết bị điện tử di động sử dụng nước thay cho ethanol Samsung cho biết sẽ thương mại hóa loại pin này vào năm 2010

có lo ngại về sự đe dọa tiềm tàng đối với bí mật cá nhân của các mạng cảm biến có mặt ở khắp nơi, nhưng nhiều người cho rằng chúng là phương tiện để tăng cường an ninh và hiệu quả của các chuỗi cung cấp, theo dõi sự xuống cấp của kết cấu hạ tầng (chẳng hạn nhu cầu

và nhà máy điện), theo dõi môi trường, sức khoẻ cộng đồng và an toàn

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức đặt ra cho công tác nghiên cứu Ví dụ, Microsoft gần đây đã xuất bản một tài liệu về sử dụng các điện thoại di động làm khuôn khổ cho mạng cảm biến vô tuyến Những thách thức đặt ra là làm sao hiện hữu được dữ liệu của các cảm biến và tìm ra phương thức tối ưu để lưu trữ những dữ liệu đó, để chúng có thể hiện hữu cho các dịch vụ và ứng dụng khác

b Anten

Nhiều công trình lớn đã và đang được thực hiện trong thiết kế anten cho TTDĐ Một thách thức đặc biệt khó khăn đặt ra cho các điện thoại tế bào và các thiết bị TTDĐ khác hiện nay là phạm vi của anten cần cho truyền thông ở nhiều cấu phần của phổ điện từ được dùng cho các giao thức truyền thông khác nhau Mỗi giao thức này đều có những yêu cầu riêng về phần cứng và phền mềm

Nghiên cứu gần đây đã xem xét việc sử dụng các ống nano cacbon, kết hợp với sự phát triển của các radio có khả năng lập trình bằng phần mềm để tạo ra các anten hoặc bộ lọc năng động, có khả năng lập trình, hoạt động được ở nhiều dải tần số rộng hơn so với những anten thông thường Một anten và bộ lọc có khả năng lập trình đầy đủ sẽ thay thế cho nhiều cấu phần của điện thoại tế bào, cho phép có được những thiết bị TTDĐ linh hoạt hơn và nhỏ hơn

Các nghiên cứu cũng theo đuổi những cách tiếp cận và hệ thống vật liệu khác để tiếp tục nâng cao năng lực của TTDĐ Ví dụ, những phát kiến về radio được xác định bằng phần mềm (software-defined Radio) cho TTDĐ cho phép nhận được những thiết bị TTDĐ linh hoạt hơn, có khả năng thích nghi cao hơn và nhiều khả năng hơn

5 Mạch tích hợp

Sự phổ cập đáng kinh ngạc của điện thoại di động và sự tăng trưởng nhanh chóng của thị trường TTDĐ vài năm gần đây đã thu hút sự chú ý của nhiều công ty hàng đầu trong ngành bán dẫn và mạch tích hợp Các nhà khoa học và kỹ sư đã bắt đầu theo đuổi những phương pháp nâng cao hiệu năng tổng thể của các mạch tích hợp dùng cho thiết bị TTDĐ Mục tiêu đặt ra là nâng cao năng lực và khả năng tính toán của con chip, đồng thời giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của chúng

Lập đối tác với Texas Instruments, các nhà nghiên cứu ở MIT gần đây đã phát triển được những mạch tích hợp dùng cho TTDĐ với hiệu suất cao gấp 10 lần so với những con chip hiện được dùng Do tầm quan trọng của vấn đề tiêu thụ ít điện năng và quản lý năng lượng hiệu quả đối với những thiết bị TTDĐ tương lai, những công ty hàng đầu khác, chẳng hạn như Intel và NXP Semiconductor cũng đang ra sức nghiên cứu để nâng cao hiệu năng mạch tích hợp Một cách tiếp cận là vận dụng những tiến bộ liên quan đến việc chuyển sang các

kỹ thuật xử lý 65 nanomet để giảm các dòng điện dò Một cách tiếp cận nữa là tìm ra các kiến trúc mới để cải thiện hoạt động ở mức điện năng thấp

Nhiều nghiên cứu cần thiết trong lĩnh vực này đã được nêu rõ trong bản “Lộ trình công nghệ quốc tế đối với vật liệu bán dẫn (ITRS)” Lộ trình này là một tài nguyên quan trọng cho các ngành và các trường đại học tham gia vào R&D và thiết kế mạch tích hợp trong thập kỷ qua Nó khai phá những vấn đề và xu hướng quan trọng trong công nghệ bán dẫn và nhận dạng những giải pháp tiềm năng để ứng phó với những trở ngại đang nổi lên Một phần mục tiêu của ITRS là thúc đẩy hợp tác quốc tế giữa những tổ chức liên quan đến ngành bán dẫn, làm sao để "nguồn vốn tài chính cho các công nghệ tiền cạnh tranh được

chia sẻ bình đẳng trong toàn ngành" Từ năm 2003, ITRS đã đưa vào một chương riêng đề cập đến sự phát triển công nghệ TTDĐ

Theo ITRS, những xu hướng tương lai của TTDĐ đòi hỏi phải dịch chuyển sang các cấu trúc mới để tiếp tục nâng cao mật độ và tính năng của mạch tích hợp Ví dụ, mạch tích hợp cổng kép (Dual-gate) và mạch silic trên điện môi (Silicon-on-insulator) Nhu cầu gia tăng đối với các bộ khuếch đại công suất dùng cho điện thoại di động là một lĩnh vực quan trọng nữa cần được nghiên cứu Những bộ khuếch đại này trong tương lai sẽ phải đáp ứng đặc tính tuyến tính nghiêm ngặt ở những phạm vi ngày càng mở rộng của giao thức truyền thông mà không làm tăng đáng kể về phí tổn

6 Các hệ thống FRID

Các hệ thống FRID thường gồm 2 cấu phần: bộ đọc FRID và thẻ FRID Bộ đọc cho phép người dùng thẩm vấn hệ thống, còn thẻ FRID lưu trữ dữ liệu sẽ được đọc Thoạt đầu, FRID được coi như một phương tiện thay thế mã vạch trong hậu cần và kiểm soát vật tư Nhưng ngày nay, với sự tiến bộ của các công nghệ, đặc biệt là sự hoàn thiện của các mạch tích hợp và các bộ nhớ và sự tiến bộ của các cảm biến nhờ CNNN và vi mô, các thẻ FRID cung cấp nhiều thông tin hơn rất nhiều chứ không chỉ phục vụ cho lĩnh vực hậu cần Hiện nay, chúng có thể cung cấp dữ liệu chẩn đoán, chẳng hạn như nhiệt độ hoặc độ ẩm của vật chứa, những thay đổi các điều kiện theo thời gian, tốc độ tăng tốc hoặc giảm tốc và thậm chí

cả dữ liệu y học cá nhân Chúng cũng có thể cung cấp thông tin về các giao dịch - ví dụ như địa điểm và tình trạng transit Khi những thẻ FRID được tích hợp thường nhật vào các thiết

bị thương mại, đồng thời sự kết hợp của các cấu phần cảm biến, bộ nhớ, năng lực xử lý và các công cụ truyền thông linh hoạt làm cho chúng trở nên tinh xảo hơn, thì các thiết bị TTDĐ sẽ ngày càng tích hợp những công cụ để đọc, xử lý, chia sẻ và ứng dụng những thông tin này

Theo truyền thống, các bộ đọc FRID được coi là nút cố định ở trong hệ thống Một thẻ FRID được gắn vào một đối tượng nào đó phải đi qua phạm vi kiểm soát của đầu đọc FRID

để đọc và download thông tin Đầu đọc FRID được trang bị những năng lực truyền thông hữu tuyến để cho phép chia sẻ, lưu trữ và tìm kiếm thông tin Nhưng những xu hướng gần đây của các thiết bị TTDĐ và kết mạng vô tuyến đã đưa lại sự chuyển dịch từ các đầu đọc

cố định sang các đầu đọc di động (M-FRID)

Một số nhà chế tạo hiện đã kết hợp các đầu đọc FRID vào thiết bị TTDĐ Ví dụ, năm

2004, Nokia bắt đầu tiếp thị bộ M-FRID cho điện thoại di động 5140 Philips, Samsung và các hãng khác cũng đang theo đuổi việc kết hợp các đầu đọc FRID trực tiếp vào thiết bị TTDĐ Một số thiết bị đã cung cấp các dịch vụ tổng hợp của M-FRID, định vị địa lý, cảm biến, trao đổi dữ liệu và tìm dữ liệu

II CÔNG NGHỆ SINH HỌC

CNSH đang trở thành một bộ phận cấu thành của đời sống hàng ngày trong xã hội đương đại, được sử dụng ngày càng nhiều trong công tác chăm sóc sức khoẻ, sản xuất lương thực

và hỗ trợ các ngành nông, lâm, thuỷ sản Nhưng mối liên quan xã hội của nó còn sâu sắc

hơn Vì CNSH có quan hệ với các quá trình cơ bản của sự sống và là một loạt các công cụ

có những tiềm năng to lớn nên nó thường động chạm đến những giá trị cốt lõi, có ý nghĩa đối với nhân loại và thế giới Một số vấn đề chung trong CNSH là:

- Lượng thông tin sinh học nhận được ngày càng gia tăng

Những bước tiến gần đây của công nghệ đã giúp tạo ra một loạt công cụ để tiếp cận được với các nguồn thông tin sinh học ngày càng phong phú Thành quả thu được từ những công

cụ đó hiện đã hiện hữu, chẳng hạn như bản đồ hệ gen Người Những nỗ lực trong lĩnh vực Hệ gen chức năng (Proteomics) đã giúp theo dõi được trực tiếp rất nhiều phản ứng hoá học diễn

ra trong cơ thể sống- đây mới chỉ là bước khởi đầu cho một quá trình phát triển có triển vọng

sẽ diễn ra với tốc độ hết sức nhanh và có phạm vi rộng Những tiến bộ hiện nay trong vi mạng cảm biến axit nucleic và nhiều loại protein đem lại khả năng thực hiện nhiều thử nghiệm cùng một lúc ở trên một mẫu thử, tạo ra những lượng dữ liệu lớn một cách nhanh hơn và rẻ hơn Những thiết bị cảm biến nối mạng để phát hiện enzym, kháng nguyên, kháng thể, axit nucleic cũng có mặt trên các chip không chỉ chứa các cấu phần sinh học mà còn cả mạch tích hợp để ghi lại các kết quả phân tích Các chức năng như vậy sẽ được kết hợp ngày càng nhiều với các công nghệ y tế, giúp có được các cảm biến kích thước nhỏ và có thể cấy ghép vào cơ thể để thu nhận những thông tin sinh học chi tiết của mỗi cá nhân

Những tiến bộ công nghệ không có liên quan trực tiếp với sinh học cũng góp phần để có được lượng thông tin sinh học ngày càng tăng Ví dụ, những hoàn thiện trong một phạm vi rất rộng các mạch điện tử và công nghệ thông tin của công nghệ chụp ảnh y học Các công nghệ chụp ảnh y học hiện nay giúp các bác sỹ trực tiếp quan sát được bệnh tật và thương tổn mà không cần phải can thiệp bằng giải phẫu Ngoài ra, những cải tiến đối với thiết bị hiện thị và kiểm soát thông tin, chẳng hạn như những màn hình âm thanh- hình ảnh 3 chiều

để quan sát các bộ phận cơ thể và các mối tương tác của thuốc, tạo điều kiện tốt cho việc chẩn đoán, ra quyết định và điều trị

- Ứng dụng thông tin sinh học

Những công nghệ này phát triển sẽ càng tạo khả năng để tiến hành công tác y tế phù hợp với từng cá nhân, với những liệu pháp được thực hiện phù hợp với tình trạng bệnh tật của người bệnh Các bước tiến trong phương pháp lập chuỗi nhanh và tiến hành song song sẽ giúp nhận được thông tin hệ gen của từng người với giá ngày càng rẻ Dữ liệu và công nghệ lập chuỗi gen cũng đã bắt đầu đem lại thành quả trong việc giúp hiểu được những khác biệt

mà những bệnh nhân khác nhau phản ứng với thuốc, chẳng hạn như lý do vì sao có một số bệnh nhân ung thư phổi lại phản ứng với một phương pháp hoá trị liệu nào đó, trong khi những bệnh nhân khác lại không phản ứng Sự khác biệt về gen trong số những bệnh nhân ung thư khác nhau cũng được sử dụng để dự đoán sự lây lan của bệnh tật Kỹ thuật chụp ảnh y học cũng được dùng để cho thấy vì sao một số loài dược phẩm lại có tác dụng tới hoạt động của bộ não ở một số người này tốt hơn ở một số người khác Những phát hiện như vậy

có thể được ứng dụng trực tiếp cho từng bệnh nhân trong việc lựa chọn loại thuốc và liệu pháp phù hợp

Những tiến bộ trong việc tạo ra các phần tử đánh dấu sinh học (Biomarker) giúp nâng cao khả năng phát hiện mức nhạy cảm về gen của mỗi cá nhân đối với các chất độc hại, bệnh tật

và stress CNSH cũng đang được ứng dụng để phát triển các phương pháp thử hết sức đặc thù đối với từng loại chất hoặc sinh vật, chẳng hạn như những loại vũ khí đặc biệt hoặc nguy cơ tiến triển bệnh tật, giúp cho việc thử nghiệm các chất độc hại với tốc độ nhanh hơn trước đây

Có dự báo cho rằng sau năm 2020, việc lập chuỗi gen sẽ có chi phí thấp để mọi người đều

có thể tiếp cận được với thông tin về hệ gen của mình Khi có được thông tin này, mọi người

có thể sớm dự đoán được khả năng mắc bệnh của mình để kịp thời chữa trị trước khi quá muộn Những tiến bộ tương tự trong công nghệ chụp ảnh y học cũng đem lại khả năng chẩn đoán và chữa trị hiệu quả hơn, không cần phải áp dụng các biện pháp xâm hại đến cơ thể Khả năng thu nhận ngày càng tăng lượng thông tin sinh học đem lại lợi ích cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu y học mà nhằm vào một loạt các vấn đề liên quan đến sức khoẻ và dịch bệnh Tốc độ của các công nghệ lập chuỗi hiện nay đã đem lại khả năng hiểu biết nhanh hơn về các nguy cơ môi trường, chẳng hạn như các đợt bùng phát bệnh tật mới Ví dụ, vào đầu năm 2004 tức là khoảng 1 năm sau đợt bùng phát dịch SARS ở Trung Quốc, những phân tích dựa vào thông tin bộ gen của virus đó đã được công bố Những phương pháp giúp làm sáng tỏ nhanh cấu trúc của các phân tử sinh học đang đem lại nguồn tri thức chi tiết hơn bao giờ hết để hiểu được các hệ thống sinh học, tạo cơ sở để có những biện pháp can thiệp cần thiết

Việc thu nhận được nhiều thông tin hơn về các hệ thống sinh học cũng góp phần vào công tác phát minh dược phẩm Những nỗ lực lập chuỗi gen của các sinh vật khác cũng có thể đóng góp cho công tác nghiên cứu bệnh tật ở con người Ví dụ, việc lập bản đồ gen chuột-loài động vật thường được dùng để thí nghiệm, đã được hoàn thành vào năm 2002 Hiểu biết về

cơ sở hệ gen của các loài động vật khác cũng có thể giúp đề xuất các chiến lược điều trị bệnh tật mới cho con người Ví dụ, các cơn đau tim hoặc các bệnh về tim có thể để lại sẹo Những phát hiện gần đây cho thấy rằng khác với người, loài cá ngựa vằn có thể tự tái sinh mô tim Trong tương lai, việc khám phá ra các gen thúc đẩy sự tái sinh mô tim của cá có thể giúp đem lại phương pháp làm lành sẹo khi chữa trị bệnh tim ở người

Ngoài việc phát hiện ra rằng những khác biệt nhỏ ở mỗi người có thể gây ra những ảnh hưởng quan trọng đối với hiệu quả sử dụng những loại dược phẩm nhất định, thì việc có được ngày càng nhiều lượng tri thức và hiểu biết sinh học cũng thể hiện tính chất cực kỳ phức tạp của các hệ thống và quá trình sinh học Các hệ thống sinh học không đơn giản là những thông tin gen được truyền vào các vật liệu cần thiết để tạo dựng và hỗ trợ sự sống Chúng bao hàm các chức năng điều chỉnh để kiểm soát quá trình biểu hiện gen (Gene Expression), các hệ thống cải biến các sản phẩm gen sau khi chúng được sản sinh ra… Một điều đã rút ra được sau khi hoàn thành biểu đồ hệ gen người là số lượng gen của người ít hơn nhiều so với dự đoán căn cứ vào mức độ phức tạp của giải phẫu sinh lý người Điều đó chứng tỏ rằng tầng nấc phức tạp nói trên đóng một vai trò quan trọng Những công trình nghiên cứu ở thập kỷ qua cho thấy rằng có những cấu phần của ADN (Axit dcoxyribonuclie) đã từng được coi là không có chức năng gì, nhưng trên thực tế chúng có thể lại đóng vai trò then chốt trong việc

điều chỉnh chức năng gen Ví dụ, những gen ẩn hoạt động thông qua ARN (Axit ribonucleic), chứ không phải thông qua protein, xem ra lại đóng vai trò trong các vấn đề di truyền, phát triển và bệnh tật

Tất cả những sự việc trên cho thấy rằng trong 10 năm tới, các công cụ giúp thu nhận ngày càng nhiều hơn lượng thông tin sinh học sẽ ngày càng trở nên phổ biến

- Tác động của việc có thêm nhiều lượng thông tin sinh học

Sau 10 năm làm việc tích cực, nhóm các nhà khoa học quốc tế đã hoàn thành việc lập bản

đồ toàn bộ hệ gen người, mục tiêu đặt ra cho Dự án nghiên cứu hệ gen người (Human Genome Project = HGP), được 10 quốc gia phát triển hợp tác thực hiện

Đây được xem là một trong những công trình nghiên cứu quan trọng nhất của thế kỷ, vì thành công này mở ra một kỷ nguyên mới trong nỗ lực chinh phục bệnh tật con người

Việc giải mã hoàn tất bản đồ bộ gen người có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với việc nghiên cứu điều trị các bệnh nan y Nếu có bản đồ trong tay, các bác sĩ sẽ tìm được đến đích của bệnh tật Cơ thể con người là một bộ máy vô cùng phức tạp và tinh vi Có bản đồ gen là

có “bản thiết kế” của hệ thống điều khiển bộ máy đó

Biết vị trí của gen, các nhà y học có thể “sửa chữa, thay thế” những gen hỏng Đó là liệu pháp gen mà lâu nay các bác sĩ điều trị vẫn mơ ước được thực hiện Nếu chưa thay được gen thì có thể sản xuất ra các protein là sản phẩm của gen đó, rồi đưa vào cơ thể thay thế cho các protein hỏng hoặc bị thiếu do lệch lạc chức năng gen

Đó là những protein chữa bệnh vô giá, do chính gen lành tạo ra Hiệu quả chữa bệnh đối với bệnh nhân rất lớn và giá trị thương mại đối với các hãng dược liệu cũng vô cùng hấp dẫn

Vì thế các hãng không tiếc kinh phí đầu tư cho các nghiên cứu này

Hiện nay khoa học về lĩnh vực này được gọi chung là “hậu genomics” của khoa học sự sống Tìm ra được chức năng sinh học của trên 50.000 gen là một việc làm đòi hỏi nhiều công sức lao động, tiền của và kiến thức chuyên gia Kể cả khi biết được phần lớn chức năng của chúng rồi thì việc nghiên cứu tương tác giữa chúng và tính hệ thống của chúng mới là bước quyết định

Khả năng thu nhận ngày càng nhiều hơn lượng thông tin sinh học sẽ tạo ra các nhu cầu mới Nhiều tiến bộ có được cho đến nay, kể cả công nghệ lập chuỗi nhanh, đều do những tiến

bộ kết hợp lại của CNTT và tin sinh học Những khối lượng thông tin nhận được ngày càng nhiều thêm sẽ làm tăng nhu cầu đối với các công cụ ở các lĩnh vực này để sử dụng các dữ liệu một cách hiệu quả Hiện tại, những hệ dữ liệu lớn đã tạo khả năng cho những nỗ lực tinh xảo

để lập mô hình các mạng gen và biến dưỡng chất trong cơ thể sinh vật, vừa giúp đem lại những hiểu biết mới, vừa giúp đề ra các hướng nghiên cứu mới Việc kết hợp “trí tuệ nhân tạo” (Antificial Intelligence) vào các hệ thống như vậy hiện đã đem lại khả năng phát triển

những “nhà khoa học rôbôt” để tiến hành các thực nghiệm kiểm định giả thuyết dựa trên

những hệ dữ liệu lớn đã thu nhận được Những tiến bộ của tin sinh học đã đem lại nhiều khả năng hơn nữa cho những nỗ lực như vậy, vừa giúp tăng lợi ích tiềm năng của khối lượng thông tin nhận được ngày càng tăng, vừa đem lại một cách tiếp cận để giải quyết và hiểu được

sự phức tạp sinh học mà những thực thể hiện nay đang cho thấy

Năng lực thu thập thông tin sẽ phải phù hợp với sự hiểu biết kèm theo về cách thức diễn giải thông tin thu thập được Do sức mạnh của các cơ cấu thu thập thông tin dựa vào CNSH, nên năng lực thu thập thông tin thường vượt trước sự hiểu biết cần thiết để diễn giải thông tin

Ví dụ, đã có những kỹ thuật để đo mức độ của các chất ô nhiễm ở trong mỗi cá nhân, cho dù vẫn chưa biết được ảnh hưởng của chúng tới sức khỏe như thế nào Hay một quan sát mới đây cho thấy các hạt bụi trong không khí có thể gây ra đột biến di truyền ở chuột Tốc độ gia tăng của lượng thông tin thu thập được có thể tạo ra sự quá tải thông tin, trong đó vẫn còn chưa biết được những phép đo nào là quan trọng nhất

2.1 Công nghệ sinh học y tế

2.1.1 Y học hệ gen (Genomic Medicine)

Y học hệ gen có nhiệm vụ nhận dạng các gen tham gia làm phát sinh bệnh tật và vạch ra chiến lược chữa trị dựa vào tri thức này Đây là bộ môn mới ở giai đoạn phát triển ban đầu Những dự án xây dựng ngân hàng gen quốc gia quy mô lớn, chẳng hạn như BioBank của Anh, hay deCode Genetics của Aixơlen sẽ đóng vai trò quan trọng để giúp hiểu được sự phát sinh và tiến triển của bệnh tật, cũng như sự phản ứng của từng người đối với bệnh tật và dược phẩm được dùng để chữa trị chúng Dự án deCode là một trong những công trình khảo sát gen của quần thể ở mức tiên tiến nhất

Một sáng kiến then chốt nữa là dự án HapMap, nhằm tạo ra một biên mục của các biến thể gen chung xảy ra ở con người Dự án này được thiết kế để cung cấp thông tin cho các nhà nghiên cứu sử dụng nhằm liên kết lại những phương pháp phòng ngừa, chẩn đoán và chữa trị mới

Mặc dù nhiệm vụ đặt ra phức tạp và cần phải thu thập và phân tích những dữ liệu khổng lồ, nhưng y học hệ gen hứa hẹn sẽ làm thay đổi ngành y tế và quá trình phát triển dược phẩm Những công nghệ đang nổi lên tạo động lực cho sự phát triển của y học hệ gen gồm:

tử đánh dấu thì sẽ có khả năng áp dụng được đúng phương pháp điều trị vào giai đoạn thích hợp nhất của căn bệnh

Khi bản chất gen của những căn bệnh phức tạp hơn được khám phá, và nếu như các dụng

cụ chẩn đoán và xét nghiệm gen trở nên rẻ hơn và được kết hợp nhiều hơn vào công tác y tế thì phép xét nghiệm gen sẽ trở thành một công cụ đắc lực và phổ biến Công trình Dự báo Công nghệ lần thứ 7 do Viện Chính sách KH&CN Quốc gia Nhật Bản thực hiện nêu rằng tới

năm 2012 sẽ có khả năng “xác định được toàn bộ các chuỗi cơ bản của từng người, kể cả cấu trúc gen, một cách nhanh chóng và rẻ, giúp sử dụng rộng rãi những phương pháp như vậy để chẩn đoán và chữa trị thích hợp cho từng cá nhân”

Các công nghệ tạo điều kiện xét nghiệm ADN nhanh bao gồm các con chip có khả năng

đo được mức biểu hiện của hàng vạn gen trong một lần thử Một số dụng cụ chẩn đoán dựa vào chip đầu tiên đã được bán trên thị trường Tuy nhiên, công nghệ hiện có vẫn còn đắt và những nhân viên có nhiệm vụ diễn giải kết quả cần phải được đào tạo về sinh học phân tử Công nghệ này chỉ trở thành chính thống khi nào giá thành xét nghiệm giảm xuống và có đủ

số lượng các nhân viên hoặc ứng dụng phần mềm để diễn giải dữ liệu

Chip ADN không phải là công nghệ duy nhất có tác động tới công tác chẩn đoán Sự kết hợp của CNSH và CNNN có triển vọng sẽ tạo ra những dụng cụ chẩn đoán mạnh Chúng sẽ tạo ra khả năng quan sát được các mối tương tác phức tạp của các phân tử ở mức độ đặc thù hơn nhiều Tính đặc thù này là cần thiết, vì công nghệ hiện nay không đủ nhạy để vạch ra cách thức mà các tế bào thực hiện chức năng của mình như thế nào, cũng như hoạt động của các hệ thống sinh học ở cấp từng phân tử

Một số các ứng dụng đầu tiên của CNSH nano có thể sẽ ở lĩnh vực chẩn đoán phân tử Các nhà nghiên cứu tin chắc rằng sau chip ADN sẽ là thế hệ của chip protein, hoạt động ở cấp nano Các chip này sẽ có khả năng xét nghiệm nhiều protein hoặc các phân tử gắn với protein hoặc ADN khác ở 1 lần thử duy nhất Năng lực này có tầm quan trọng để xét nghiệm hiệu quả các bệnh phức tạp liên quan đến nhiều gen và đánh giá được giai đoạn phát triển của bệnh

Công nghệ cảm biến, chẳng hạn như cảm biến dựa vào dây nano - một ứng dụng đang nổi

- xem ra nhạy cảm hơn 1000 lần so với xét nghiệm ADN và cho kết quả sau vài phút, chứ không cần đến vài ngày hoặc vài tuần, có thể sẽ mở đường cho những xét nghiệm nhanh hơn

và chính xác hơn Những cảm biến cực nhạy này là một ví dụ về khả năng đo trực tiếp dòng điện của ADN bằng CNNN

Các công nghệ hiển thị hình ảnh gần đây cũng đặc biệt hứa hẹn Ví dụ, thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) giúp ta quan sát được các mô, các bộ phận và chức năng của chúng Các chuyên gia tin rằng trong vòng 5 năm tới sẽ có được thiết bị chụp ảnh phân tử để quan sát được sự biểu hiện gen ở người (công nghệ này hiện đã được dùng cho động vật) Điều này không chỉ đem lại khả năng cho chẩn đoán mà còn cho phép quan sát, đánh giá ở thời gian thực những tác dụng của nhiều loại dược phẩm và liệu pháp gen

Những hạt nano, đặc biệt là chấm lượng tử (Quantum Dot) sẽ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực đang nổi là phát triển phần tử đánh dấu sinh học (Biomarker) Tuy nhiên, giống như các hạt nano khác, chấm lượng tử có thể đem lại rủi ro cho sức khoẻ con người Để khắc phục, các nhà khoa học đã bổ sung thêm các chất phủ để đảm bảo cho độ an toàn và độ ổn định Tuy nhiên, để công nghệ này có thể áp dụng cho cơ thể người, các nhà nghiên cứu sẽ phải phát triển các chất phủ vừa đáp ứng được tính an toàn, vừa duy trì được hiệu quả hoạt động

Gen dược học (Pharmacogenetics)

90% dược phẩm hiện nay chỉ đạt hiệu quả 30-50% cho bệnh nhân, vì cơ thể con người có những phản ứng khác nhau đối với cùng một loại dược phẩm Gen dược học-một bộ môn

chuyên nghiên cứu về ảnh hưởng của sự khác biệt gen đối với phản ứng của từng cá nhân lên dược phẩm Ứng dụng của Gen dược học cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển dược phẩm, đặc biệt là thử nghiệm lâm sàng Việc có được khả năng sàng lọc chính xác những cá nhân để thử nghiệm trước cũng có thể có tác động lớn tới cách thức thiết kế và quản lý thử nghiệm để giảm bớt phí tổn Cũng có thể tăng độ linh hoạt trong quá trình này: một thử nghiệm đã bị bãi bỏ trước đó vẫn có thể được tiếp tục nếu loại trừ những bệnh nhân

có rủi ro

Các liệu pháp gen

Liệu pháp dựa vào gen hay gọi tắt là liệu pháp gen là “một kỹ thuật điều trị, trong đó một gen thực hiện chức năng được nạp vào tế bào mục tiêu để sửa chữa sai sót bẩm sinh hoặc cung cấp chức năng mới cho tế bào” Nếu nạp thành công, các tế bào sẽ sản xuất được protein trị liệu để thay thế hoặc bổ sung cho gen bị hư hỏng hoặc xử lý những ảnh hưởng của các bệnh bị mắc như ung thư Những ứng dụng liệu pháp gen hứa hẹn sẽ giúp cơ thể sản xuất được những phân tử trị liệu một cách lâu bền

Thoạt đầu, người ta cho rằng những trục trặc gen di truyền là những mục tiêu hiển nhiên để những liệu pháp gen nhằm vào Tuy nhiên, những khó khăn lớn đã nảy sinh trong việc: (1) Nạp gen đúng mục tiêu vào các loại tế bào đặc thù, (2) Đảm bảo để tế bào sản xuất được đúng loại protein trị liệu, và (3) Tìm ra được phương pháp để tránh được phản ứng tiêu cực của hệ miễn dịch Bởi vậy, liệu pháp gen vẫn chưa đạt được tiềm năng như đã dự đoán

Phần lớn các thử nghiệm liệu pháp gen hiện nay đều nhằm vào bệnh ung thư Công trình

“Dự báo Công nghệ” của Nhật Bản nêu rằng tới năm 2017, liệu pháp gen để chữa trị ung thư

sẽ được sử dụng phổ biến

Giao thoa ARN

Giao thoa ARN (RNAi) là tác nhân vô hiệu hóa gen, được coi là một công nghệ đang nổi đầy hứa hẹn mà giới nghiên cứu và thương mại đang hết sức quan tâm Một công trình then chốt đã cho thấy rằng một số phân tử ARN tắt biểu hiện gen Đây là một trong những tiến bộ quan trọng nhất gần đây của sinh học Ngay từ khi phát hiện ra, RNAi đã chứng tỏ là một công cụ cực kỳ hữu ích để kiểm định các mục tiêu dược phẩm Tuy nhiên, về lý thuyết, ứng dụng khả năng vô hiệu hóa gen có thể chữa trị được mọi bệnh có liên quan đến sự quá hoạt tính của một gen hoặc nhiều gen Nó cũng có tiềm năng giảm bớt nguy cơ biểu hiện quá mức những vật liệu gen khi nạp vào cơ thể, tránh phát triển thành khối u

Theo dự báo, thị trường RNAi sẽ tăng 31,5%/năm, đạt giá trị 328 triệu USD vào năm 2010 (trong khi giá trị của nó vào năm 2003 là 48 triệu USD)

Mặc dù đã đạt được những tiến bộ, nhưng các nhà phân tích nhận định rằng ít nhất phải 15 năm nữa thì dược phẩm dựa vào RNAi mới được chuẩn y Một trong những trở ngại lớn nhất cho liệu pháp RNAi là vấn đề nạp gen

Liệu pháp gen sẽ tiếp tục được hoàn thiện, mặc dù không diễn ra nhanh như dự đoán trước đây Các nhà nghiên cứu đang phát hiện ra rằng những trạng thái bệnh tật khác nhau đòi hỏi những hệ thống nạp gen khác nhau, bởi vậy sẽ hợp lý nếu những ứng dụng liệu pháp gen được phát triển trên cơ sở đo lường và mang tính đặc thù đối với từng loại bệnh Phần lớn

những dự báo gần đây đều cho rằng liệu pháp gen theo từng căn bệnh sẽ nổi lên vào giai

đoạn 2010-2020

Vacxin

Trong số các biện pháp can thiệp y tế, vacxin là một trong những phương pháp đã có từ lâu

và ít tốn kém, có tác động lớn nhất tới công tác chăm sóc sức khoẻ cộng đồng

Công nghệ này đã đạt được nhiều tiến bộ nhờ sự hiểu biết gia tăng về bản chất của các vi khuẩn lây nhiễm, nhưng sẽ tiếp tục phát triển bởi động lực của một số bệnh đang đặt ra thách thức cho y học, chẳng hạn như AIDS, sốt rét và cúm Sự nhấn mạnh gần đây đến nguy cơ xảy

ra chiến tranh sinh học cũng thúc đẩy công tác phát triển vacxin Chính phủ Mỹ trong Dự án Bioshield gần đây đã dành riêng 5,6 tỷ USD để phát triển các công nghệ chống lại vũ khí sinh học Trong 10 năm tới, kinh phí Liên bang sẽ được dùng để mua các dược phẩm và vacxin để đối phó với một loạt các mầm bệnh

Cũng có sự quan tâm ngày càng tăng đến vacxin ADN, trong đó ADN được dùng thay cho protein để tạo ra phản ứng miễn dịch Việc áp dụng sinh học phân tử để nhận dạng các gen độc hại đã đem lại hiểu biết mới về sự phát sinh bệnh của các vi khuẩn độc hại Sự hiểu biết mới này cùng với việc có thêm kiến thức về phản ứng miễn dịch đã khiến một số nhà bình luận dự báo rằng tới năm 2010 các vacxin ADN sẽ cạnh tranh thị phần với các biện pháp dựa vào sinh học và hoá chất

2.1.2 Y học tái sinh (Regenerative Medicine)

Y học tái sinh là chuyển chú trọng từ thay thế mô sang sửa chữa và tái sinh mô bị bệnh và lão hoá, thông qua phương pháp sinh học Dự báo từ nay đến năm 2020, các biện pháp tái sinh sẽ dùng chữa trị những bệnh Alzheimer, Parkinson, tiểu đường và bệnh tim Lâu dài hơn, mục tiêu đặt ra là tái sinh các bộ phận

Một số động lực then chốt khiến gia tăng hoạt động nghiên cứu bộ môn này bao gồm sự thiếu hụt nghiêm trọng các bộ phận thay thế, máu và mô; tình trạng dân số già đi nhanh chóng

ở các nước phát triển

Các công nghệ nơron cũng đang phát triển nhanh và những ứng dụng tiềm năng đang nổi lên, sẽ tạo khả năng cho những người tàn phế sử dụng tín hiệu từ bộ não để cử động chân tay giả (cũng như các thiết bị bên ngoài như xe lăn, bàn phím máy tính v.v…) Về lâu dài, các công nghệ này thậm chí có khả năng kích hoạt các bộ phận bị liệt

Hoạt động nghiên cứu hiện nay đang chú trọng vào phát triển các vật liệu sinh học có những tính chất cơ học cần thiết (chẳng hạn như khả năng chịu tải, khả năng phân hủy Mối quan tâm chủ yếu là kết hợp các phân tử tín hiệu kích hoạt (chẳng hạn như protein có chức năng tác nhân tăng trưởng) vào bộ giàn giáo vật liệu sinh học Nghiên cứu việc dẫn nạp các phân tử sinh học đang chịu ảnh hưởng mạnh của những phát triển công nghệ về véctơ trị liệu gen Khả năng kết hợp các phân tử kích hoạt vào bộ giàn giáo và giải phóng có điều khiển đối với các tác nhân tăng trưởng cho phù hợp với điều kiện sinh lý là một trong những khâu then chốt tiếp theo của tiến bộ công nghệ

Khía cạnh thiết kế cấu trúc giàn giáo cũng có tầm quan trọng không kém để phát triển các vật liệu sinh học mới Một phát triển công nghệ có hứa hẹn đem lại tiến bộ trong lĩnh vực này

là tạo nguyên mẫu nhanh (Rapid Prototyping) hoặc in ba chiều Công nghệ in 3 chiều, cùng với các công nghệ như chụp cắt lớp hay chụp cộng hưởng từ tạo khả năng có được những mô hình động chính xác của các bộ phận và hệ mạch của chúng Một trong những trở ngại kỹ thuật lớn để tái sinh bộ phận hoặc mô là nhân bản các mao mạch Công nghệ in 3 chiều, với khả năng lập mô hình chính xác các hệ thống sinh vật, được coi là giải pháp đặc biệt hứa hẹn CNNN sinh học cũng có dấu hiệu sẽ giúp khắc phục trở ngại này Ví dụ, các kỹ thuật chế tạo vi mô đã giúp vi tiểu hình hoá các bộ giàn cho kỹ thuật mô, cho phép kiểm soát ở cấp vi

mô các bề mặt tế bào một cách hiệu quả hơn để mô phỏng tác dụng của thành mạch Các polyme sinh học cũng được chế tạo với các kênh kích thước như mao mạch và đã có triển vọng như những ống dẫn có hiệu quả để hình thành các mạch máu Một ứng dụng trước mắt

là thay thế các mô động mạch tim bị hư hỏng

Các sản phẩm có tiềm năng sẽ được sử dụng trong thực tiễn tới năm 2020 và xa hơn

Làn sóng thứ nhất

2004 - 2010

* Các mô cấu trúc (da, xương và sụn);

* Kết hợp nhân tố tăng trưởng vật liệu sinh học vào da nhân tạo;

* Thay thế đĩa đệm cột sống bằng sụn nhân tạo

Làn sóng thứ hai

2010 - 2020

* Các liệu pháp sử dụng tế bào ngoại lai (chẳng hạn cho não và tụy);

* Các liệu pháp dựa vào tế bào gốc để chữa bệnh tiểu đường, bệnh tim mạch, Parkinson và Alzheimer

Làn sóng thứ ba

2020 

* Các bộ phận sinh học nhân tạo;

* Liệu pháp tế bào gốc để điều trị bệnh thần kinh;

* Tạo ra trọn bộ phủ tạng thay thế

2.1.3 Y học Nâng cao

CNSH còn được áp dụng cho các mục đích tăng cường thêm các đặc tính không thuộc

về y học Những tiến bộ công nghệ tiềm năng sẽ diễn ra ở các lĩnh vực sau:

* Ngăn chặn tình trạng lão hoá;

* Nâng cao thể lực;

* Nâng cao các đặc trưng gen: những trẻ em được thiết kế (Designer Babies), với những đặc trưng cần thiết;

* Nâng cao khả năng nhận thức/trí nhớ

2.2 Công nghệ sinh học nông, lâm nghiệp và chăn nuôi

2.2.1 Cây trồng biến đổi gen (GM)

Hiện nay, 6 quốc gia canh tác chính (Mỹ, Canađa, Achentina, Braxin, Trung Quốc và Nam Phi) đã chiếm 99% số cây trồng GM thuộc “làn sóng thứ nhất” Tỷ lệ áp dụng ở các quốc gia trồng trọt chính đã tăng lên nhanh chóng Từ 1996 đến 2001, diện tích toàn cầu của cây GM đã tăng 30 lần, từ 1,7 triệu ha lên 52,6 triệu ha

Chỉ có những nước nêu trên là trồng cây GM nhiều nhất, còn các quốc gia khác vẫn còn

e ngại, xét ở phương diện diện tích canh tác lẫn sự chấp nhận của công chúng Ở các quốc gia như Nhật Bản và nhiều nước châu Âu có sự phản ứng mạnh mẽ của người tiêu dùng Thậm chí, ngay ở Mỹ cũng có dấu hiệu cho thấy sự dè dặt ngày càng tăng của người tiêu dùng đối với cây trồng GM

Nhìn chung, làn sóng đầu tiên của cây trồng GM là nhằm vào các đặc điểm năng suất Làn sóng thứ hai, phần lớn còn nghiên cứu ở phòng thí nghiệm, là nhằm vào các đặc điểm chất lượng hoặc dinh dưỡng Làn sóng thứ ba nhằm vào những đặc điểm liên quan đến môi sinh (như chịu hạn, chịu mặn) và sản xuất các sản phẩm mới (dược phẩm hoặc chất dẻo)

Dự đoán thế hệ cây trồng GM thứ hai và thứ ba sẽ bao gồm các sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu và đòi hỏi của người dùng, do đó sẽ được chấp nhận nhiều hơn Để đạt được mục tiêu đó, các nhà khoa học đang ra sức tìm cách sử dụng CNSH để cải thiện chất lượng lương thực, để cung cấp các dược phẩm mới (sản xuất các protein dược phẩm), để góp phần ngăn ngừa bệnh tật (các loại văcxin qua đường ăn uống) và giảm bớt nguy cơ bệnh tật (thay đổi thành phần dinh dưỡng) Tuy nhiên, thực hiện những việc đó không dễ dàng

Dự báo công nghệ cây trồng GM

Thời gian thâm nhập thị trường Các ứng dụng tương lai

2011

Thế hệ 1: Các đặc điểm tăng sản lượng

* Các đặc điểm đầu vào, ví dụ chịu được thuốc; trừ cỏ và chịu được sâu bệnh ở bông;

* Các cây trồng GM chống được bệnh và virus 2007-2015

Thế hệ 2: Các đặc điểm nâng cao đầu

ra

* Các cây trồng;

* Tăng các thành phần chức năng;

* Cải biến hàm lượng bột, protein và chất béo;

* Cải biến quá trình chín của quả;

mục đích chịu được sâu bệnh Cùng với sự gia tăng nguồn nhân lực có giá nhân công rẻ và kết cấu hạ tầng, Trung Quốc sẽ nổi lên trong lĩnh vực này trong tương lai trung hạn

2.2.2 Những công nghệ khác

2.2.2.1 Gây giống thông minh (“Smart Breeding”)

Không phải tất cả CNSH thực vật là liên quan đến biến đổi gen Những tiến bộ trong hiểu biết về di truyền học chính xác của các đặc tính thực vật cho thấy rằng có thể đạt được những đặc tính như khả năng chịu hạn hoặc tăng giá trị dinh dưỡng mà không cần biến đổi gen Trong thập kỷ qua, các nhà khoa học đã phát minh ra rằng các cây trồng có chứa các đặc tính ở dạng “ngủ” Trên thực tế, điều đó nghĩa là không cần phải nạp gen vào cây trồng, mà chỉ đơn giản là “đánh thức” khả năng của nó Việc người tiêu dùng phản đối các thực phẩm

GM cho thấy rằng công nghệ gây giống thông minh này sẽ có vai trò quan trọng trong tương lai để phát triển cây trồng

Dự đoán 5-10 năm tới, các chiến lược gây giống chọn lọc được hỗ trợ bởi phần tử đánh dấu có thể đưa lại khả năng sản xuất các chủng loại siêu việt với những đặc tính phức tạp được kiểm soát

2.2.2.2 Sinh sản vô phối (Apomixis)

Sinh sản vô phối là một dạng sinh sản vô tính Sự phát triển công nghệ dựa vào sinh sản

vô phối có một số ưu điểm, bao gồm:

* Tránh sự thoái hoá của một số loài cây được truyền giống theo kiểu sinh dưỡng, chẳng hạn như khoai tây và sắn, do có sự tích luỹ mầm bệnh thông qua việc sử dụng lặp lại;

* Nếu có khả năng khiến các cây ngũ cốc như ngô sinh sản vô phối thì sẽ giúp ích cho nông dân ở những nước đang phát triển tránh phải trữ hạt để gieo trồng vào năm sau và sự thoái hoá phẩm chất cây trồng

Việc sử dụng rộng khắp phương pháp sinh sản vô phối, đặc biệt là nếu một hãng giữ sở hữu trí tuệ và kiểm soát độc quyền mọi sự phát triển công nghệ trong tương lai sẽ là mối lo ngại lớn cho các hãng kinh doanh hạt giống vì có thể tác động mạnh tới lợi nhuận của họ Một số chuyên gia dự báo rằng công nghệ này có thể có được sau 10-12 năm nữa

2011 (lignin là một hợp chất giúp cho cây cứng cáp, cần cho gỗ, nhưng không làm giấy được, chi phí để khử nó trong công nghiệp giấy toàn cầu lên tới 20 tỷ USD/năm, ngoài ra còn tạo ra phế thải)

2.2.4 CNSH chăn nuôi

Sinh sản chọn lọc và tăng sản lượng

Một trong những ứng dụng đầu tiên của CNSH hiện đại trong chăn nuôi là sử dụng hệ gen học trong tạo giống Ngày càng gia tăng việc lựa chọn có sử dụng các phần tử đánh dấu

là gen để quyết định chọn lựa những đặc tính sinh sản cần thiết và phức tạp hơn trước đây

và để duy trì tính đa dạng gen của đàn/bầy

Đã nhận dạng được một số gen tạo ra những đặc tính cần thiết (như tăng độ nạc và độ béo) Các phép xét nghiệm chẩn đoán ADN đối với một số đặc tính này hiện đã được ứng dụng trong thực tiễn tạo giống vật nuôi

Về lý thuyết, vật nuôi có thể được áp dụng kỹ thuật gen để biểu thị những đặc trưng mà

có thể giúp làm tăng sản lượng Đó là do việc biến đổi gen cung cấp phương pháp để đưa nhanh các gen vào dòng mầm (Germ Line) của con vật mà không cần phải đợi thời gian để lai chéo Nhưng còn phải giải quyết nhiều vấn đề về kỹ thuật, đạo đức, an toàn thực phẩm

và quyền lợi động vật trước khi công nghệ GM có tác động tới thực tiễn sản xuất nông nghiệp chính thống

Hiện tại, chưa có các sản phẩm động vật GM trên thị trường toàn cầu Tuy nhiên, sản xuất dược phẩm từ các động vật GM có tiềm năng sẽ nằm trong làn sóng ứng dụng thứ nhất, vì giảm được rất nhiều chi phí sản xuất (ước tính chỉ bằng 1/1000 chi phí của các phương pháp thông thường)

Các động vật có tiềm năng đóng góp theo những cách sau:

* Sản xuất protein trị liệu;

* Cung cấp tế bào, mô và phủ tạng cho bệnh nhân cần cấy ghép;

* Sản xuất các peptide kháng khuẩn

Sản xuất protein trị liệu (Biopharming)

Biopharming là lĩnh vực sản xuất các protein hiếm, phục vụ trị liệu cho người ở các động vật GM Gần đây, ngành công nghiệp CNSH cực kỳ thiếu hụt năng lực sản xuất protein trị liệu hiếm: việc sản xuất thông thường từ máu hoặc chiết suất từ mô tỏ ra là không hiệu quả

và cần nhiều vốn, còn thị trường đối với các sản phẩm cá nhân lại rất nhỏ Do các động vật

GM có thể sản xuất hiệu quả những protein này nên đã thu hút được nhiều chú ý Việc sử dụng các động vật như trâu bò, cừu, dê và lợn làm lò phản ứng sinh học có một số ưu điểm, bao gồm tiềm năng mở rộng sản xuất, chi phí vận hành thấp và độ ổn định của biểu hiện cao Nơi hứa hẹn nhất để nhận được các protein tái tổ hợp là tuyến vú (vì sản xuất ra nhiều protein và chúng tương đối dễ phục hồi) Những dịch khác như máu, nước tiểu và huyết thanh cũng đang được tìm cách khai thác

2.2.5 Thuỷ sản

Nhu cầu toàn cầu đối với các loại hải sản chưa chắc đã đáp ứng được, do sự cạn kiệt các nguồn cá tự nhiên, có sẵn ở các đại dương trên thế giới Để khắc phục khả năng này, ngành nuôi cá/hải sản đang tăng trưởng nhanh chóng

Cho đến nay, CNSH hải sản chủ yếu quan tâm đến vấn đề nâng cao năng lực sản xuất của các doanh nghiệp Nghiên cứu các loài cá GM thoạt đầu chú trọng vào đẩy mạnh tốc độ tăng trưởng; kết quả đã có được những giống cá có tốc độ tăng trưởng nhanh gấp 2-11 lần

so với các giống cá bình thường, nhờ áp dụng các gen hoocmôn tăng trưởng Các nhà khoa học đã tạo ra nhiều giống cá GM có tốc độ tăng trưởng nhanh, đóng vai trò quan trọng trong ngành hải sản toàn cầu

Các nghiên cứu vẫn còn trong giai đoạn thực hiện ở phòng thí nghiệm đang tập trung vào nâng cao khả năng chịu đựng khí hậu, khả năng đề kháng và tốc độ tăng trưởng của một số loài cá/hải sản

2.3 Công nghệ sinh học công nghiệp

3 lĩnh vực chủ yếu trong sản xuất sản phẩm công nghiệp dựa vào CNSH, bao gồm:

* Sản xuất nguyên liệu sinh khối;

* Công nghệ xử lý sinh học;

* Các sản phẩm tinh chế sinh học (vật liệu sinh học, nhiên liệu và năng lượng sinh học, hoá chất, dược phẩm và protein)

2.3.1 Sản xuất nguyên liệu sinh khối

Trong tương lai gần, hầu hết các nguồn sinh khối để sản xuất sản phẩm công nghiệp đều được chuyển hoá từ các bộ phận cây nông nghiệp đã được chế biến; đường lên men của các cây ngũ cốc như ngô; các phế thải sinh khối Các nguồn này sắp tới sẽ bao hàm các vật liệu lignin/xenlulo từ cỏ, cây và dư lượng cây trồng, khi công nghệ và kết cấu hạ tầng đạt trình

độ để chiết suất và xử lý những cấu phần hữu ích từ các nguồn này Dự báo sau 2010, các cây lấy sợi mới phục vụ cho công nghiệp sẽ trở thành chính thống

2.3.2 Công nghệ xử lý sinh học

Xúc tác sinh học

Trong công đoạn xử lý sinh học công nghiệp, chất xúc tác sinh học là enzym, tế bào hoặc

vi sinh vật có tác dụng kích hoạt hoặc tăng tốc phản ứng hoá sinh Lên men vi khuẩn, chất xúc tác tế bào và các các xúc tác dựa vào enzym là thường được dùng nhiều nhất trong các phương pháp xử lý sinh học công nghiệp Những quy trình này được thực hiện trong các thiết bị phản ứng hoặc lên men Tuy nhiên, thực vật và vật nuôi biến đổi gen cũng sẽ có tiềm năng được dùng làm các “xí nghiệp” để sản xuất protein và hoá chất giá trị

Lên men

CNSH công nghiệp hiện nay sản xuất một loạt hoá chất thô và tinh Lên men là công nghệ thường dùng nhiều nhất cho quá trình sản xuất này Các vi sinh vật được nuôi cấy chuyên dụng (vi khuẩn, men và nấm) đã chuyển hóa có hiệu quả đường thành sản phẩm hữu ích Phạm vi của sản phẩm rất rộng, từ những sản phẩm thô, giá rẻ đến những loại rất tinh khiết và đắt tiền như dược phẩm

Công nghệ biến đổi gen đã đem lại khả năng tạo ra những thay đổi ở những vi sinh vật này Ví dụ, có thể nâng cao hiệu quả lên men của chúng bằng 2 kỹ thuật GM: thiết kế đường trao đổi chất và nạp gen của các loài khác (vi sinh vật hoặc sinh vật cấp cao)

Xúc tác bằng enzym

Enzym được sản xuất ra trong quá trình lên men công nghiệp và tiếp đó có thể được dùng để làm xúc tác công nghiệp Việc sử dụng enzym trong công nghiệp tuyệt nhiên không phải là công nghệ mới Chúng đã được dùng cho các sản phẩm như chất tẩy rửa từ thập kỷ 50 Mckinsey ước tính tới năm 2010, chỉ riêng ở Mỹ, tổng giá trị tạo ra- xét về hiệu suất, doanh thu từ enzym và lợi nhuận sinh ra nhờ các sản phẩm có sử dụng các xúc tác sinh học - có thể tăng gấp đôi, tức là 12 tỷ USD

Các quy trình công nghiệp được xúc tác bằng enzym luôn luôn hiệu quả hơn so với phương pháp hoá học, bởi vì chúng có ít khâu tổng hợp hơn và mỗi khâu đều có hiệu suất gần đạt 100% Trong khi đó, phương pháp hoá học chỉ đạt hiệu suất 10%

Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra cho enzym sinh học là chúng ngừng hoạt động khi ở trong môi trường có nhiệt độ, độ pH và áp suất không phù hợp Bởi vậy, các xúc tác enzym thường chỉ được áp dụng hạn chế để sản xuất các sản phẩm cao cấp như dược phẩm và chất

bổ dưỡng Những tiến bộ trong việc tìm những loại enzym khoẻ và phương thức sản xuất enzym đang bắt đầu khắc phục được những khó khăn này Ngoài ra, các công nghệ đang nổi lên, như phương pháp tiến hoá được định hướng, bước đầu tạo ra các “siêu” enzym thích hợp với mục đích, mà ta có thể chứng kiến sự thâm nhập của chúng vào lĩnh vực công nghiệp

2.3.3 Tinh chế sinh học

Tinh chế sinh học được coi là một trong những hướng đi hứa hẹn nhất để tạo nên nền công nghiệp dựa vào sinh học Có thể coi các xí nghiệp cán giấy và bột ngô ướt hiện nay là những nguyên mẫu của xí nghiệp tinh chế sinh học, với những bộ phận kết cấu hạ tầng cần thiết Sự khác biệt giữa các nguyên mẫu này với các xí nghiệp tinh chế được hình dung trong tương lai là tổ hợp của quy mô, năng lực công nghệ nền tảng và số các dây chuyền sản phẩm được sản xuất từ sinh khối

Để đạt được các mục tiêu EU đã đề ra trong Nghị định thư Kyoto, từ năm 2010 châu Âu

sẽ phải sản xuất khoảng 9,3 triệu tấn etanon hàng năm EU cũng đưa ra các hướng dẫn và mục tiêu tăng cường sử dụng nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các sản phẩm nông, lâm nghiệp và chất thải hữu cơ Mục tiêu đặt ra cho nhiên liệu sinh học trong năm 2005 là 2% nhiên liệu dùng cho ô-tô và sẽ tăng lên gần 6% vào năm 2010

Một số hãng công nghiệp lớn cũng đang tạo động lực cho sự phát triển khái niệm tinh chế sinh học Nổi bật là liên doanh của Cargill và Dow ở Nebraska, Royal Dutch Shell và Iogen ở Canađa Sự phát triển của công nghiệp tinh chế sinh học phụ thuộc vào một số yếu

tố, đặc biệt là làm sao nguồn nguyên liệu phải có giá cả phù hợp, đảm bảo chất lượng và số lượng, cũng như các quy trình chuyển hoá phải kinh tế và hiệu quả

Có thể phân loại các sản phẩm được sản xuất bằng các quy trình CNSH công nghiệp (hoặc một phần, hoặc toàn bộ) như sau:

* Các hoá chất chuyên dụng (dược phẩm, thực phẩm bổ dưỡng, thức ăn động vật, enzym v.v…);

* Hoá chất công nghiệp (nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học);

Mỗi một nhóm sản phẩm trên đang ở giai đoạn phát triển khác nhau, với những động lực, mối quan hệ phụ thuộc, nhu cầu phát triển kết cấu hạ tầng và những triển vọng giá trị khác nhau

2.3.3.1 Sản xuất dược phẩm

Hiện tại, mức độ thâm nhập lớn nhất của CNSH công nghiệp là ở các ngành dược phẩm, trong đó 20-30% là có sử dụng công nghệ lên men hoặc xúc tác enzym trong quá trình sản xuất Lĩnh vực công nghiệp này được dự báo là sẽ tăng trưởng cả về trước mắt lẫn lâu dài

Xét ở quan điểm năng suất, các vi sinh vật và enzym được hoàn thiện cũng sẽ giúp giảm giá thành sản xuất thuốc Điều này cũng đem lại khả năng sử dụng hiệu quả hơn năng lực sản xuất hiện có và dùng vốn để đầu tư cho năng lực mới

Việc sử dụng CNSH trong ngành dược phẩm sẽ tiếp tục gia tăng Điều này cũng đúng đối với ngành hoá công nghiệp nói chung: Sẽ nhiều sản phẩm có khối lượng nhỏ, nhưng giá trị cao, chỉ cần kết cấu hạ tầng sản xuất ở mức “khiêm tốn”

2.3.3.2 Chất dẻo sinh học

Trong vài năm qua, đã có một số đột phá công nghệ trong sản xuất chất dẻo sinh học tái tạo Quả thực, xét về ngắn hạn và trung hạn, chất dẻo sinh học được coi là có khả năng lớn nhất để thâm nhập vào thị trường hoá dầu truyền thống

Mc Kinseydự báo rằng tới 2010, 10% các sản phẩm polyme có thể liên quan đến CNSH

ở một hình thức nào đó Công ty này cũng dự báo rằng tới 2010, 20% giá trị của ngành hoá chất toàn cầu sẽ có nguồn gốc từ CNSH Những dự báo khác nhận định rằng các chất dẻo tự phân huỷ bằng sinh học sẽ chiếm 30% thị trường chất dẻo vào năm 2015-2017

Tuy nhiên, còn phải khắc phục một số trở ngại công nghệ để cho nguyên liệu hoặc thành phẩm đủ rẻ Khâu đột phá then chốt là phải sản xuất được glucose giá rẻ Nguồn chủ yếu của glucose công nghiệp hiện nay trên toàn cầu là tinh bột ngô Trong ngô, tỷ trọng lớn nhất

là xenlulo Xenlulo cũng giống tinh bột ở chỗ cũng là polyme của glucose, nhưng khó phân giải Hiện cuộc đua đang diễn ra để phát triển các enzym có tác dụng chuyển hoá xenlulo thành sản phẩm thương mại

2.3.3.3 Nhiên liệu sinh học

Tính khả thi và kỹ thuật sản xuất nhiên liệu vận tải từ sinh khối đã được khẳng định chắc chắn Việc sản xuất ethanol sinh học bằng cách lên men đường mía đã được thương mại hoá ở Braxin từ thập kỷ 80 Thập kỷ 90, một số bang của Mỹ đã tiến hành sản xuất từ ngô

và một số cây ngũ cốc Các phụ phẩm động vật, chẳng hạn như nước sữa, cũng được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất etanon Chi phí sản xuất ethanol từ cây trồng thường lớn hơn nhiều so với giá thành hiện nay của xăng và dầu, chủ yếu do khâu nguyên liệu và quy trình chuyển hoá Việc sử dụng vật liệu cellulo từ cây và phế thải được coi là giải pháp cho vấn

là yêu cầu then chốt để tạo động lực cho nền kinh tế tương lai

Điêzen sinh học đang giành được sự quan tâm đáng kể của EU (đặc biệt là Đức) và Mỹ

Nó có thể dùng được ngay cho động cơ điêzen và có mức phát thải thấp hơn nhiều Sản xuất điêzen sinh học cũng nhận được sự ủng hộ của các hãng lớn trong ngành chế tạo ô-tô Theo dự báo, tới năm 2020, các nhiên liệu sinh học sẽ thâm nhập thị trường với tư cách là hỗn hợp với các nguồn nhiên liệu truyền thống, tiếp theo là sự phát triển kết cấu hạ tầng cơ bản hơn và sau năm 2020 sẽ là thời kỳ của các pin nhiên liệu dùng hyđro sinh học

2.3.3.4 Sản xuất hyđro

Mặc dù nhiên liệu hoá thạch vẫn tiếp tục giữ vai trò chủ đạo trong số năng lượng được sản xuất và sử dụng tới năm 2020 và lâu hơn nữa, nhưng có một nhận thức ngày càng gia tăng rằng kết cục, năng lượng sẽ phải được sản xuất từ các nguồn tài nguyên có khả năng tái tạo Ngành sản xuất hyđro từ sinh khối có thể sẽ trở thành bộ phận quan trọng của “nền kinh

tế hyđro”

Hiện việc sản xuất hyđro từ sinh khối đang ở giai đoạn R&D và theo dự báo, nó sẽ bắt đầu nổi lên ở thị trường vào năm 2025 Nếu dự báo này diễn ra đúng thì khi đó việc sản xuất hyđro sẽ giúp phát triển các pin nhiên liệu phục vụ ngành vận tải và triển vọng sẽ trở thành nền kinh tế hyđro Các công nghệ này sẽ được phát triển từ 2020 trở đi

III VẬT LIỆU MỚI

Vật liệu mới thường là những động lực quan trọng để ra đời những hệ thống và ứng dụng mới với những ảnh hưởng quan trọng Những phát triển trong khoa học và kỹ thuật vật liệu

có được là nhờ hoạt động nghiên cứu vật liệu liên ngành

3.1 Những xu hướng hiện nay trong hoạt động nghiên cứu

Những xu hướng nghiên cứu có thể đem lại những ảnh hưởng toàn cầu tới năm 2020 được phân loại như sau:

1 Thiết kế khái niệm/vật liệu

Bắt chước giới sinh vật (Phỏng sinh học): là sự bắt chước tự nhiên để thiết kế các hệ

thống, vật liệu và chức năng của chúng Những ví dụ của lĩnh vực này hiện nay gồm việc tạo các lớp vật liệu để đạt tới độ cứng của vỏ con bào ngư, hoặc cố tìm hiểu nguyên nhân khiến cho tơ nhện lại khoẻ hơn thép

Thiết kế vật liệu kết hợp: là sự sử dụng năng lực máy tính (đôi khi được tiến hành cùng

với vô số những cuộc thử nghiệm đồng thời) để lọc ra nhiều khả năng khác nhau của các vật liệu nhằm tối ưu hoá các tính chất phục vụ cho những ứng dụng cụ thể (chẳng hạn như các xúc tác, dược phẩm, vật liệu quang học)

2 Lựa chọn, sơ chế và chế tạo vật liệu

Composit là những vật liệu kết hợp các kim loại, gốm, polyme và các vật liệu sinh học

để thực hiện được các công việc đa chức năng Một biện pháp thông thường là gia cường thêm sợi gốm vào polyme hoặc gốm để nâng cao độ bền, trong khi vẫn giữ được tính chất nhẹ và tránh được tính ròn của vật liệu gốm nguyên chất Các vật liệu được dùng cho cơ thể thường kết hợp các chức năng kết cấu và sinh học (chẳng hạn như để làm vỏ chứa thuốc)

3 Vật liệu nano:

Là những vật liệu với các tính chất có thể kiểm soát được ở kích cỡ nhỏ hơn micron (<10-6m) hoặc nano (10-9m) Đây là một lĩnh vực nghiên cứu ngày càng mạnh mẽ vì những tính chất ở phạm vi này thường khác về cơ bản với các tính chất của vật liệu bình thường Các ví dụ bao gồm các ống nano cacbon, điểm lượng tử và các phân tử sinh học Các vật liệu này có thể tạo ra hoặc bằng phương pháp tinh chế, hoặc bằng các phương pháp chế tạo kiểu may đo (Tailor)

4 Xử lý, tính chất và hoạt động

Những lĩnh vực này liên quan mật thiết với nhau: Việc xử lý quyết định tính chất, tiếp đó các tính chất lại quyết định sự hoạt động Ngoài ra, độ nhạy của dụng cụ và khả năng đo lường thường là yếu tố đảm bảo cho việc tối ưu hoá quá trình xử lý, thí dụ như đối với công nghệ nano, hoặc các hệ thống vi cơ điện (MEM)

5 Tạo nguyên mẫu nhanh (Rapid Prototyping)

Là khả năng kết hợp việc thiết kế và chế tạo được hỗ trợ bằng máy tính với các phương pháp sản xuất nhanh, cho phép tạo ra chi tiết với giá rẻ (so với chi phí phải bỏ ra nếu dùng dây chuyền sản xuất bình thường) Phương pháp tạo nguyên mẫu nhanh có thể giúp công ty thử nghiệm một vài nguyên mẫu khác nhau với giá rẻ trước khi quyết định đầu tư kết cấu hạ tầng cho một phương án nào đó Nếu được kết hợp với việc hoàn thiện hệ thống chế tạo để

có được sự linh hoạt về phương án và thiết bị thì khả năng tạo nguyên mẫu nhanh này có thể giúp cho việc chế tạo trở nên hết sức mau lẹ Nói cách khác, công ty có thể sử dụng năng lực thiết kế ở thực tế ảo, sau đó chuyển việc chế tạo sản phẩm cho các đối tác ở ngoài, như vậy giúp giảm được vốn đầu tư và rủi ro Năng lực này là sự phối kết năng với cuộc cách mạng thông tin theo nghĩa: đó là một nhân tố nữa giúp cho việc toàn cầu hoá năng lực chế tạo và tạo điều kiện cho các tổ chức ít vốn có thể có được ảnh hưởng công nghệ quan trọng

6 Tự lắp ráp (Self-assembly)

Đây là phương pháp được áp dụng trong xử lý và sản xuất vật liệu dựa vào khuynh hướng của một số loại vật liệu có khả năng tự tổ chức thành những mảng có trật tự (chẳng hạn như những chất keo lơ lửng) Đây là phương tiện để nhận được các vật liệu cấu trúc theo kiểu “từ dưới đi lên” (bottom up), ngược lại với các phương pháp chế tạo như kiểu in ảnh litô (lithography) mà ngày nay bị hạn chế bởi năng lực của dụng cụ và phương pháp đo lường Ví dụ, các polyme hữu cơ đã được gắn với các phân tử nhuộm để hình thành phên đan ở phạm vi bước sóng ánh sáng nhìn thấy và phên đan này có thể thay đổi được tuỳ thuộc vào hoá chất Ở đây ta nhận được loại vật liệu có tính chất huỳnh quang và thay đổi màu sắc để cho thấy sự có mặt của những hoá chất đặc thù

7 Chế tạo bằng ADN

Phương pháp này học theo cách thức sản xuất xảy ra trong thế giới sinh vật Nó bao gồm việc sử dụng ADN tạo chức năng cho các hạt (phần tử, hoặc chi tiết xây dựng-building block), sau đó bằng các quá trình nhận dạng ADN, các phần tử hoặc chi tiết xây dựng đó được lắp ráp với nhau tạo ra các cấu trúc dự kiến Sử dụng cách tiếp cận này Mirkin và các cộng sự đã tạo ra một phương pháp xét nghiệm có tính chọn lọc cao và cực kỳ nhạy, trong

đó họ đã gắn các chuỗi ADN vào các hạt vàng (Au) có đường kính 13 nano Cách tiếp cận này tương hợp với phương pháp vẫn thường được dùng là phản ứng chuỗi polyme hoá (Polymerase chain reaction-PCR) để tăng cường lượng chất mà ta dự định

8 Chế tạo ở cấp micron và nano

Ví dụ về phương pháp này là phép in lito các chi tiết micron và nano lên cùng một vật liệu bán dẫn hoặc sinh học Có một lưu ý quan trọng là để phát triển được các kỹ thuật này

đã có sự phát triển hết sức quan trọng diễn ra song song của các dụng cụ và thiết bị đo lường như kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope-AFM) và các loại kính hiển vi quét mẫu (Scanning Probe Microscope-SPM)

Các xu hướng nêu ở trên có thể kết hợp với nhau để giúp các kỹ sư thiết kế tạo ra những vật liệu tiên tiến với những tính chất như sau:

* Thông minh

Những vật liệu có khả năng phản ứng, vừa cảm nhận, vừa dẫn động, có thể kết hợp thêm với máy tính để đáp ứng và thay đổi tuỳ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh (Tuy nhiên, có một số hạn chế cần lưu ý là độ nhạy cảm của các bộ cảm biến, khả năng thực hiện của bộ dẫn động, việc có được nguồn năng lượng với kích thước phù hợp với hệ thống cho trước) Ví dụ về vật liệu này có thể là những robot được chế tạo giống như các con côn trùng hoặc chim để dùng trong các công việc như thám hiểm vũ trụ, xác định vị trí và xử lý vật liệu độc hại và máy bay không người lái

* Đa chức năng

MEM và các chip thí nghiệm (Lab.on-a.chip) là những ví dụ tuyệt vời về những hệ thống

có nhiều chức năng kết hợp Một ví dụ nữa là hệ thống giải phóng thuốc, trong đó ứng dụng hydrogel với lớp bên ngoài có tính ưa nước, còn lớp bên trong có tính kỵ nước Cũng có thể

kể đến loại vật liệu dùng làm vỏ máy bay có khả năng lẩn tránh được sự theo dõi của rađa

* Các vật liệu thích hợp hoặc tồn tại được trong môi trường

Sự phát triển của các vật liệu composit và khả năng thao tác ở cấp nguyên tử để “may đo” vật liệu tạo cơ hội để có được những vật liệu phù hợp hơn với môi trường xung quanh

Ví dụ gồm các thiết bị giả để thay ghép mà có công dụng như bộ khuôn để nuôi cấy mô tự nhiên, hay các vật liệu cấu trúc mà có thể khoẻ lên trong khi phục vụ (chẳng hạn như thông qua những thay đổi pha do nhiệt độ và ứng suất gây nên)

3.2 Các vật liệu thông minh

3.2.1 Công nghệ

Có một số loại vật liệu vừa có khả năng cảm nhận, vừa có khả năng tạo ra những dịch chuyển, thí dụ vật liệu sắt điện (trong đó có điện áp tạo ra tuỳ thuộc vào điện trường bên ngoài tác dụng vào), hay các hợp kim có khả năng nhớ hình dạng (shape-memory alloys, với khả năng thay đổi hình dạng nhờ biến đổi pha, tuỳ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ), hay các vật liệu từ giảo (trong đó có điện áp tạo thành tuỳ thuộc vào từ trường bên ngoài tác dụng vào) Những hiệu ứng này cũng tác dụng theo chiều ngược lại, bởi vậy có thể dùng những vật liệu này ở dạng riêng rẽ hay kết hợp với nhau, để vừa có khả năng cảm nhận, vừa thực hiện những dịch chuyển tương ứng với điều kiện môi trường bên ngoài Hiện nay chúng đang được ứng dụng rộng rãi, từ máy in phun, đến các bộ truyền động đĩa từ và các thiết bị chống đông cứng

Một nhóm vật liệu thông minh có tầm quan trọng là các composit được tạo ra trên cơ sở chì ziriconat titanat (PZT) và các loại vật liệu sắt điện có liên quan để cho phép tăng độ nhạy cảm, phản ứng lại với nhiều tần số và có khả năng thay đổi tần số Ví dụ về nhóm vật liệu này là vật liệu có tên gọi là “Moonie” Đó là bộ biến năng PZT được đặt bên trong một