Những đột phá trong năm 2021

Từ tàu vũ trụ đến vi mạch theo dõi mầm bệnh,... tất cả đã mang đến cái nhìn về một thế giới mới trong tương lai. Hãy cùng điểm qua những đột phá khoa học và công nghệ trong trong năm vừa qua.

Starship hạ cánh thành công

Vào tháng 5, Công ty SpaceX đã thực hiện thử nghiệm thành công tàu vũ trụ con thoi Starship tại căn cứ ở Texas (Mỹ). Đây được xem là thành tựu của SpaceX sau nhiều lần thử nghiệm thất bại. Tuy nhiên, cuộc thử nghiệm diễn ra chưa thực sự trọn vẹn. Bởi, không lâu sau khi hạ cánh, một đám cháy nhỏ đã xuất hiện trên con tàu.

Tên lửa đã đưa Starship SN15 lên không trung từ căn cứ phóng của Space X ở Boca Chica vào lúc 17h25 chiều ngày 5/5 (giờ địa phương). Sau khi đạt được độ cao cần thiết, tàu Starship SN15 đã thực hiện các thao tác trên không rồi quay trở lại địa điểm hạ cánh.

Lần thử nghiệm thành công này cũng được kỳ vọng sẽ tạo thêm động lực cho SpaceX, đặc biệt sau khi hãng này giành hợp đồng phát triển tàu vũ trụ đưa người lên Mặt trăng của Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA).

SpaceX đang phát triển tàu Starship để chở người và hàng hóa tới Mặt trăng, sao Hỏa và nhiều địa điểm xa xôi khác. Hệ thống bao gồm tàu vũ trụ bằng thép không gỉ Starship lắp 6 động cơ Raptor và tên lửa khổng lồ Super Heavy với 30 động cơ Raptor.

Cả hai phương tiện đều có thể tái sử dụng hoàn toàn. Tàu Starship đủ mạnh để tự phóng từ Mặt trăng và sao Hỏa, nhưng vẫn cần tên lửa Super Heavy để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái đất.

Perseverance thu thập mẫu trên sao Hỏa

Ngày 6/9, Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) xác nhận, tàu thăm dò sao Hỏa Perseverance đã thành công thu thập mẫu đá đầu tiên tại “hành tinh đỏ”.  Mẫu đá được thu thập vào ngày 1/9. Tuy nhiên, ban đầu, NASA không khẳng định về việc liệu tàu Perseverance bảo tồn được mẫu đá này hay không. Bởi, những hình ảnh ban đầu được chụp trong điều kiện ánh sáng kém.

Sau khi chụp một bức ảnh mới để các nhân viên điều khiển mặt đất có thể xác minh, tàu Perseverance đã chuyển ống đựng mẫu đá vào bên trong tàu. Nhờ đó, có thể tiếp tục đo đạc và chụp ảnh. Sau đó, ống đựng mẫu đá đã được bịt kín.

Hệ thống thu thập và dự trữ mẫu vật của tàu Perseverance là cơ chế phức tạp nhất từ trước tới nay. Hệ thống được đưa vào không gian với cấu tạo gồm hơn 3.000 bộ phận. Mục tiêu đầu tiên của hệ thống này là thu thập một mẫu đá có kích cỡ bằng một chiếc cặp có tên là “Rochette”.

Để thu thập mẫu đá này, tàu Perseverance đã sử dụng một máy khoan và mũi khoan rút lõi nằm ở phần cuối cánh tay robot dài 2m. Sau khi khoan rút lõi đá, tàu Perseverance làm rung mũi khoan và ống đựng mẫu vật trong vòng một giây, với 5 lần riêng biệt. Hành động này nhằm làm sạch miệng ống đựng mẫu vật.

Đồng thời, khiến mẫu vật trượt xuống ống. Tàu Perseverance hạ cánh xuống đáy của một hồ cổ đại được gọi là miệng núi lửa Jezero vào tháng 2 năm nay. Con tàu có nhiệm vụ tìm kiếm dấu hiệu sự sống của các vi sinh vật cổ đại, bằng cách sử dụng một bộ công cụ được gắn cuối cánh tay robot.

Giải mã các mô hình gấp khúc của protein

Sự gấp khúc của protein là một yếu tố liên quan mật thiết đến chức năng của protein. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các bệnh như tiểu đường, Parkinson và Alzheimer hiện không thể điều trị được đều liên quan đến lỗi protein.

Các nhà khoa học hy vọng rằng cấu trúc ba chiều của protein có thể được dự đoán chính xác từ thành phần hóa học, và bằng cách thiết kế các protein mới để điều trị các bệnh khác nhau theo cách này, nhiều vấn đề công nghệ cao liên quan đến phân tử sinh học có thể được giải quyết.

Tuy nhiên, việc có được cấu trúc ba chiều của một protein giống như một quá trình giải mã. Trước khi phần mềm như vậy xuất hiện, thông thường các nhà nghiên cứu sẽ mất vài năm để xác định cấu trúc gấp khúc của một protein.

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng việc sử dụng trí tuệ nhân tạo có thể đẩy nhanh quá trình nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu rất cần một phần mềm như vậy để có thể dự đoán nhanh chóng và chính xác các mô hình gấp khúc của protein. Điều này có ý nghĩa to lớn đối với việc chữa trị nhiều loại bệnh tật của con người.

Kể từ tháng 7, hơn 140 nhóm nghiên cứu độc lập trên khắp thế giới đã tải xuống phần mềm RoseTTAFold do nhóm nghiên cứu của Đại học Washington phát triển từ cơ sở dữ liệu phần mềm mã nguồn mở GitHub.

Năm 2020, công ty trí tuệ nhân tạo DeepMind của Google đã ra mắt phần mềm AlphaFold2. Phần mềm này có thể nhanh chóng giải mã các mô hình gấp khúc của protein. AlphaFold2 nhận được sự quan tâm rộng rãi của cộng đồng sinh học vào thời điểm đó, nhưng công ty đã không mở phần mềm này để chia sẻ với mọi người.

Vài tháng sau đó, nhóm nghiên cứu tại Đại học Washington đã thiết kế một phần mềm tương tự khác là RoseTTAFold. Phần mềm được công khai cho mọi người trong ngành sử dụng miễn phí.

Vào giữa tháng 6 năm nay, Chủ tịch Demis Hassabis của DeepMind cho biết sẽ mở AlphaFold để cộng đồng khoa học sử dụng miễn phí. Vào ngày 15/7, tạp chí Science đã công bố thành quả phần mềm của Đại học Washington. Cùng ngày, tạp chí Nature cũng đăng tải báo cáo nghiên cứu về AlphaFold2.

Cơ quan tử não bộ có mắt

Vào tháng 8, các nhà khoa học đã phát triển thành công những bộ não tí hon có mắt. Các “cơ quan tử (organoid) não bộ” là phiên bản thu nhỏ mà các nhà khoa học có thể phát triển trong phòng thí nghiệm từ các tế bào gốc hay tế bào có thể trưởng thành trong cơ thể.

Các nhà khoa học đã phát triển những bộ não nhỏ với một tập hợp cấu trúc giống như mắt. Chúng được gọi là “cốc thị giác” tạo ra võng mạc - mô nằm ở phía sau của mắt. Đặc biệt, cặp mắt này dường như có khả năng hoạt động. Chúng có thể phản ứng với ánh sáng bằng cách gửi tín hiệu đến phần còn lại của mô não.

Trong cơ thể con người, võng mạc sẽ gửi tín hiệu đến não thông qua dây thần kinh thị giác, cho phép chúng ta nhìn thấy hình ảnh. Trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển cốc quang riêng lẻ trong phòng thí nghiệm, nhưng đây là nghiên cứu đầu tiên tích hợp cốc quang vào não tí hon, theo tuyên bố.

Khi các tế bào gốc phát triển thành những bộ não nhỏ, cốc thị giác được hình thành. Các cốc thị giác xuất hiện sớm nhất là 30 ngày và trưởng thành trong vòng 50 ngày. Khung thời gian tương tự như cách võng mạc phát triển trong phôi thai người. Tổng cộng, các nhà nghiên cứu đã tạo ra 314 bộ não nhỏ.

72% trong số chúng hình thành các cốc thị giác. Các organoid chứa các loại tế bào võng mạc khác nhau tạo thành mạng lưới nơ-ron hoạt động phản ứng với ánh sáng. Chúng cũng hình thành tròng và mô giác mạc.

Các nhà khoa học có thể sử dụng organoid với cốc thị giác để nghiên cứu sự tương tác giữa não và mắt trong quá trình phát triển phôi thai. Hơn nữa, chúng có thể được sử dụng để nghiên cứu các rối loạn võng mạc. Thậm chí, chúng có thể được sử dụng để tạo ra các loại tế bào võng mạc.  

Các nhà nghiên cứu hiện hy vọng sẽ tìm ra cách giữ cho các cốc thị giác có thể tồn tại trong thời gian dài. Nhờ vậy, có thể sử dụng chúng để nghiên cứu các cơ chế đằng sau chứng rối loạn võng mạc.

Vi mạch theo dõi mầm bệnh

Tháng 9, nhóm kỹ sư tại Đại học Northwestern thuộc bang Illinois (Mỹ) đã nghiên cứu và chế tạo thành công một vật thể bay siêu nhỏ. Vật thể này có khả năng giám sát mức độ ô nhiễm không khí và mầm bệnh trong môi trường ở quy mô lớn. Những vi mạch này không có động cơ. Vật thể bay này gồm hai phần chính: những linh kiện điện tử nhỏ vài mm và các cánh.

Bên cạnh bộ phận cảm biến, những cấu trúc bay nhân tạo này còn được trang bị nguồn điện, ăngten liên lạc không dây và bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu. Lấy ý tưởng từ quá trình phân tán hạt của cây, nhóm các nhà khoa học sử dụng mô hình máy tính để tối ưu hóa khí động học của mỗi bộ vi mạch.

Trọng lượng của thiết bị điện tử được phân bổ thấp ở trung tâm của bộ vi xử lý. Nhờ đó, kiểm soát tốc độ và thời gian rơi của chúng. Ngoài bộ phận cảm biến, chúng còn được trang bị nguồn điện, ăng-ten để liên lạc không dây và bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu. Những dữ liệu này sau đó được chuyển đến điện thoại thông minh hoặc máy tính.

Nhằm giảm áp lực rác thải điện tử đang đè nặng lên môi trường, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chất liệu hòa tan vô hại trong nước. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, các vật thể này sẽ biến mất trong môi trường trong một thời gian nhất định.