Chiếu sáng nhân tạo phù hợp với nhịp sinh học: Nghiên cứu và ứng dụng

“Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm (human-centric lighting)” là cụm từ đã được biết đến trong vài năm qua – không chỉ bởi các nhà sản xuất chiếu sáng mà còn bởi các nhà nghiên cứu, các nhà thiết kế nội thất. Hẳn là không ít người đã đặt câu hỏi: Thực sự liệu nó có nghĩa đối với người thiết kế kiến trúc chúng ta?

Lấy con người làm trung tâm, nhịp sinh học, chiếu sáng melanopic, chiếu sáng sinh học động (biodynamic), chiếu sáng theo thứ tự thời gian sinh học (chronobiologic), thiết kế sinh lý (biophilic design)… Dù bạn dùng bất cứ thuật ngữ nào, chúng đều nhằm nói đến một kỷ nguyên mới trong thiết kế chiếu sáng, dựa trên chức năng phi thị giác của mắt người. Hiểu biết về những chức năng này của mắt bắt nguồn từ những kết quả nghiên cứu về bản chất nhạy sáng của những tế bào hạch (ipRGCs) trên võng mạc. Nếu những tế bào này không nhận được đủ ánh sáng trong 2 giờ, melatonin sẽ được sản sinh ra, kích thích cơn buồn ngủ hay chu kỳ sinh học [1].

Hình 1: Sự thay đổi nhiệt độ màu và màu sắc của ánh sáng mặt trời theo thời gian trong ngày (trên).
Ánh sáng nhân tạo hoàn toàn có thể đáp ứng chuỗi nhiệt độ màu tự nhiên đó, từ 1.000 K đến 10.000 K (dưới).

Một số vấn đề của đồng hồ sinh học con người và sự liên hệ với ánh sáng

Ánh sáng được mắt người tiếp nhận không chỉ tạo ra những hiệu ứng thị giác, mà còn có những tác động lên thể chất con người, thường được gọi chung là những hiệu ứng phi – thị giác của ánh sáng. Ánh sáng có tác động đến hoóc-môn sản sinh hàng ngày, khởi đầu cho những biến đổi hệ quả khác diễn ra trong suốt cả ngày. Ánh sáng mặt trời trong không gian có nhiệt độ màu không đổi, khoảng 5.900K. Tuy nhiên, do hiệu ứng gây ra bởi bầu khí quyển, ánh sáng mặt trời đến bề mặt trái đất lại có nhiệt độ màu thay đổi theo chu kỳ 24 giờ (xem Hình 1). Trải qua nhiều triệu năm tiến hóa, các loài sinh vật đã thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ màu và màu sắc của ánh sáng tự nhiên, chi phối lượng hoóc-môn sản sinh bởi các tuyến nội tiết, hình thành “đồng hồ sinh học” trong các loài sinh vật. Hai loại hoóc-môn chính liên quan đến nhịp sinh học của con người được biết đến là melatonin (chi phối giấc ngủ) và cortisol (chi phối năng lượng và sự tập trung) (Hình 2). Nhịp điệu sinh học là tác nhân của đồng hồ sinh học con người, quyết định nhịp điệu ngủ – thức của con người.

Hình 2: Sự biến đổi của nồng độ melatonin và cortisol trong cơ thể theo ánh sáng tự nhiên trong ngày

Tuy nhiên, hiện nay nhiều người trải qua đến 90% thời gian ở trong nhà, dưới ánh sáng nhân tạo, và thường chằm chằm vào máy tính đến 7 giờ/ngày. Cho nên cảm giác mối liên hệ giữa con người và môi trường ánh sáng tự nhiên – là quang phổ ánh sáng giúp duy trì chu kỳ giấc ngủ bình thường – đã không còn nữa. Hệ quả là họ dễ bị rối loạn giấc ngủ, trầm cảm và suy giảm hệ miễn dịch. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là chiếu sáng nhân tạo lấy con người làm trung tâm nhằm hỗ trợ sự vận hành tự nhiên của nhịp sinh học. Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm là một thủ pháp có ảnh hưởng đến trạng thái tâm sinh lý, thái độ và mức năng lượng của con người.

Khoa học và công nghệ phục vụ chiếu sáng hỗ trợ nhịp sinh học

Làm thế nào mà chúng ta thiết kế ánh sáng để hỗ trợ một hệ thống sinh học? Điều này là khả thi với nguồn sáng LED có khả năng điều chỉnh sáng tối và trộn màu; những phát triển này đã song hành cùng với nghiên cứu về nhịp sinh học – và vì vậy chiếu sáng hỗ trợ nhịp sinh học đã ra đời. Đây là một thiết lập – thường dành cho văn phòng, nhưng đôi khi cho môi trường giáo dục hoặc y tế – nhằm thực hiện thay đổi nhiệt độ màu và độ rọi trong suốt cả ngày. Thực chất đó là một kiểu thay đổi môi trường ánh sáng trong nhà từ bình minh đến hoàng hôn, với nhiệt độ màu của ánh sáng thay đổi từ 2.700K (vàng ấm) đến 6.500K (lạnh) và trở lại 2.700K [1].

Sự nhấp nháy nhẹ của đèn huỳnh quang cũ làm giảm sự tập trung và theo đó là hiệu suất làm việc. Sự ra đời của ánh sáng LED đã mang lại kết quả chiếu sáng phù hợp và có quang phổ gần ánh sáng tự nhiên hơn (Hình 3). Đèn LED cho phép tiết kiệm năng lượng lớn, linh hoạt và độ tin cậy, và hiện đang xâm nhập vào gần như mọi ứng dụng trong môi trường xây dựng. Trong hơn 50 năm qua công nghệ dimmer (điều chỉnh độ sáng đèn) được dựa vào cách điều chỉnh trực tiếp mạch năng lượng điện. Nhưng hiện nay đèn LED cho phép điều chỉnh độ sáng và màu sắc một cách linh hoạt bằng cách sử dụng các giao thức kỹ thuật số giao tiếp trực tiếp với trình điều khiển. Tầm nhìn mới về cách tối đa hóa giá trị của ánh sáng LED là không chỉ điều chỉnh cường độ ánh sáng, mà còn cả chất lượng màu – bao gồm chỉ số nhiệt độ màu tương quan (correlated color temperature – CCT) và hiển thị màu (color rendering index – CRI). Bằng cách kiểm soát cả cường độ và màu sắc của ánh sáng, thiết kế ánh sáng có thể cải thiện hơn nữa sự hài lòng và năng suất lao động của người sử dụng.

Hình 3: Quang phổ của ánh sáng tự nhiên và của đèn huỳnh quang, đèn LED

Những nghiên cứu trong thời gian gần đây đã xác định được lợi ích của Chiếu sáng hỗ trợ nhịp sinh học, từ sự tỉnh táo vào buổi sáng, tâm trạng được cải thiện trong suốt cả ngày, đến việc xử lý nhận thức nhanh hơn. Nhân viên văn phòng tiếp xúc với ánh sáng sinh học đã cải thiện năng suất từ 10-25%. Công nhân cũng ngủ ngon hơn vào buổi tối khi tiếp xúc với ánh sáng sinh học vào ban ngày, dẫn đến sức khỏe tổng thể tốt hơn [2].

Ánh sáng bước sóng nằm ở quang phổ màu xanh lam – khoảng 480nm, có độ nhạy cực đại đối với các tế bào hạch nhạy sáng trên võng mạc mắt. Tác động của ánh sáng quang phổ màu xanh không phải là mới, vào cuối những năm 1990, nghiên cứu của các nhà sản xuất thiết bị đèn cho thấy rằng một cú hích bằng ánh sáng quang phổ màu xanh sẽ kích thích người lao động. Nó cũng là quang phổ chủ đạo có trong ánh sáng ban ngày – và có lẽ đây là cốt lõi để giải thích vấn đề.

Ý tưởng là: Cung cấp ánh sáng quang phổ màu xanh có cường độ thích hợp trong giờ làm việc ban ngày – và quang phổ ấm hơn khi cơ thể cần được thư giãn – sẽ tạo ra một môi trường để ức chế melatonin để tập trung làm việc và giải phóng cortisol giúp kiểm soát nhiệt độ cơ thể. Một số nghiên cứu cho các bối cảnh cụ thể trong trường học, bệnh viện và văn phòng cho thấy điều đó là sự thật. Ví dụ, các sinh viên được cho là tập trung tốt hơn sau khi lắp đặt hệ thống chiếu sáng hỗ trợ sinh học, khi ánh sáng thay đổi màu sắc (mặc dù vẫn có những nghi ngờ về điều này – chẳng hạn như khi lắp đặt hệ thống chiếu sáng mới, con người sẽ cảm thấy thích thú hơn).

Các trường hợp tham khảo về ứng dụng chiếu sáng hỗ trợ nhịp sinh học

Hệ thống Philips SchoolVision, được phát triển bởi hãng Philips, cho phép điều chỉnh nhiệt độ ánh sáng và màu sắc để bắt chước ánh sáng ban ngày, có khả năng ảnh hưởng đến tâm trạng của học sinh và giúp cải thiện môi trường học tập. Hệ thống có các mức độ chiếu sáng đặt trước cho các tình huống và hoạt động khác nhau trong lớp học. Giáo viên có thể chọn từ bốn chế độ chiếu sáng: Bình thường, cho các hoạt động thường xuyên trong lớp; Năng lượng, cho một buổi sáng sớm hoặc sau bữa ăn trưa tăng; Bình yên, để sử dụng khi trẻ em hoạt động quá mức; và Tập trung, khi cần sự tập trung cho các bài kiểm tra, bài kiểm tra hoặc hướng dẫn đọc viết (Hình 4, Hình 5).

Hình 4: Bốn chế độ chiếu sáng của Hệ thống chiếu sáng động Philips SchoolVision (từ trái sang phải: bình thường, năng lượng, tập trung, yên bình) – Nguồn: [3]

Hình 5: Hệ thống chiếu sáng động Philips SchoolVision cho lớp học ở trường tiểu học Saltillo, bao gồm: kiểu yên bình (trái), và kiểu bình thường (phải)

Nghiên cứu của Philips và Đại học Mississippi, Texas cho thấy rằng các học sinh tiếp xúc với ánh sáng khác nhau có gia tăng hiệu suất học tập hơn 33% so với sinh viên trong nhóm đối chứng [3]. Những phát hiện này tương tự với kết quả được đưa ra vào đầu năm nay bởi Trung tâm Hiệu suất làm việc tại City University London, nơi cũng sử dụng hệ thống lớp học Philips SchoolVision trong một nghiên cứu điều tra tác động của ánh sáng đến trải nghiệm học tập của học sinh trung học ở Anh.

Hình 6: Các chế độ chiếu sáng sinh học trong văn phòng AstraZeneca – Nguồn [1]

Chiếu sáng linh hoạt có thể hữu ích trong những không gian thiếu ánh sáng tự nhiên, giúp mọi người giữ được sự kết nối với môi trường ánh sáng tương tự bên ngoài. Vào năm 2010, thiết kế Chiếu sáng của Hoare Lea cho AstraZeneca đã sử dụng đèn huỳnh quang, với thiết bị điều khiển tần số cao – vì vậy không nhấp nháy – để tạo ra ánh sáng có nhiệt độ màu khác nhau cho phép bắt chước quy luật thay đổi của ánh sáng tự nhiên [1]. Trên đây chỉ là 2 trong số rất nhiều hệ thống chiếu sáng lấy con người làm trung tâm đã được phát triển và lắp đặt ở nhiều nơi trên thế giới.

Những thận trọng cần thiết và định hướng ứng dụng

Hình 7: So sánh sự phân bố công suất quang phổ tương đối của ba nguồn sáng tự nhiên ban ngày CIE: (D55) ánh sáng mặt trời, (D65) bầu trời đầy mây và (D75) ánh sáng bầu trời phía bắc cùng với các đường cong hiệu suất quang phổ bình thường (V-Lambda) và đường cong hiệu suất nhịp sinh học (C-lambda) – Nguồn [4]

Nhiều nhà thiết kế lo ngại về các hệ thống chiếu sáng hỗ trợ nhịp sinh học hiện đang được lắp đặt, trong khi nghiên cứu về tác động của chúng còn ở giai đoạn sơ khai. Nhiều nghiên cứu dựa trên câu trả lời chủ quan từ những người được hỏi trực tiếp về phản ứng của họ đối với ánh sáng mới sau khi họ được giải thích về lợi ích của hệ thống chiếu sáng này. Do đó, bằng chứng này có thể không đáng tin cậy.

Như vậy, mặc dù nghiên cứu đã có, chúng không hoàn toàn thuyết phục. Làm thế nào để chúng ta định lượng được các tác dụng và “liều lượng” của ánh sáng sinh học?

Các nhà khoa học từ Đại học Manchester đã nghiên cứu và đề xuất một đường cong độ nhạy sáng của nhịp sinh học (melanopic illuminance curve) của mắt người. Giống như đường cong độ nhạy ánh sáng V(λ) đã biết, đường cong độ nhạy sáng của nhịp sinh học C(λ) cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, với độ nhạy lớn nhất ở bước sóng 480 nm (xem Hình 7). Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng quang phổ đèn huỳnh quang cũng không phù hợp với hệ thống sinh học (Hình 8).

Hình 8: So sánh độ nhạy của hệ thống thị giác (V-lambda) và hệ thống nhịp sinh học (C-lambda) với phân bố công suất quang phổ của đèn chiếu sáng huỳnh quang tiêu chuẩn (đèn CIE F11) cho thấy quang phổ đèn không phù hợp với hệ thống sinh học – Nguồn [4]

Đường cong này là cho thấy mô hình tốt nhất về mối quan hệ giữa quang phổ ánh sáng và nhịp sinh học, có thể để sản xuất và cung cấp phổ ánh sáng phù hợp cho chiếu sáng nội thất. Theo nhiều cách, ánh sáng có thể được coi là một loại thuốc, có khả năng đem đến cả tác dụng có lợi và có hại. Những hiệu ứng trái ngược này có thể xảy ra đồng thời trong một cá nhân và bối cảnh duy nhất. Và phải nhắc lại rằng vẫn chưa thể dự báo được tác động phi thị giác của một nguồn sáng nhất định dựa trên cường độ và thành phần quang phổ của nó. Chính vì vậy, ngay cả Ủy ban quốc tế về chiếu sáng, CIE, gần đây cũng cho rằng việc tính toán chiếu sáng nhằm đem đến những tác động phi thị giác (kích thích tập trung, ức chế, buồn ngủ…) như một chùm nho trước mắt, có nhiều cơ hội ứng dụng, nhưng điều này vẫn cần được làm rõ [5].

Một số người khác lại rất ủng hộ giả thuyết về tác động phi thị giác của ánh sáng [6]. Tiêu chuẩn Well Building Standard [7] cung cấp các giá trị độ rọi melanopic đo theo phương đứng ở cao độ mặt người, là chìa khóa để tạo ra ánh sáng lành mạnh; và tiêu chuẩn Đức – DIN Spec 6760 – cung cấp các đại lượng đo cho chiếu sáng có “hiệu quả sinh học”.

Tuy nhiên, không có giải pháp nào phù hợp cho tất cả mọi người. Mọi người đều khác nhau – từ đồng hồ sinh học (cách chúng ta ngủ), cách thức làm việc, chế độ ăn uống, tuổi tác và phản ứng chủ quan của chúng ta với ánh sáng. Ví dụ, chúng ta biết rằng mắt bị mờ đục và nhận được ánh sáng quang phổ màu xanh ít hơn khi về già, và một người từ 50-60 tuổi chỉ tiết ra được khoảng 35% melatonin so với một đứa trẻ 10 tuổi. Như vậy chúng ta sẽ chịu tác động của ánh sáng không giống nhau. Còn vấn đề sở thích thì sao? Nghiên cứu cho thấy ánh sáng có quang phổ màu xanh là cần thiết, nhưng liệu có ai muốn làm việc trong ánh sáng nhân tạo có nhiệt độ màu từ 6.000K – 8.000K không? Vị trí địa lý của một người cũng sẽ ảnh hưởng đến sở thích của họ. Ví dụ, định nghĩa về ánh sáng trắng lạnh ở Trung Đông khác với định nghĩa ở Tây Âu – vì vậy, nếu khoa học cho chúng ta biết ánh sáng phải ở 8.000K, chúng ta có luôn chấp nhận điều này không? Chúng ta liệu có sẵn sàng bỏ môi trường ánh sáng ưa thích chỉ vì lợi ích của giấc ngủ? Nếu chúng ta yêu cầu độ rọi 5.000 lux thì sao? Mục tiêu năng lượng sẽ bị thay đổi như thế nào do yêu cầu chiếu sáng tăng? Trên thực tế, các KTS thường ưa thích môi trường ánh sáng ấm có nhiệt độ màu vào khoảng 2.500K, trên thực tế thường có ảnh hưởng không tốt tới năng suất làm việc.
Chúng ta còn phải xem xét liệu ánh sáng xanh bổ sung có tốt cho mắt hay không. Ánh sáng xanh bước sóng ngắn chiếu vào võng mạc nhanh hơn ánh sáng bước sóng dài và có thể gây ra tổn hại trong mô võng mạc. Tổ chức Y tế công cộng Anh đã tuyên bố rằng đèn LED bình thường thì không có vấn đề gì, nhưng nếu chúng ta tăng mức quang phổ màu xanh thì sao? Thoái hóa điểm vàng liên quan đến tuổi tác, nguyên nhân hàng đầu gây giảm thị lực ở Anh, ảnh hưởng đến 600.000 người – đang gia tăng. Có thể sự gia tăng phổ ánh sáng màu xanh gây ra điều này?

Ngoài ra còn có vấn đề về ánh sáng nhấp nháy. Với sự pha trộn giữa các nguồn màu bằng dimmer thường gây ra ánh sáng nhấp nháy. Nhiều trình điều khiển điện tử cho đèn LED gây ánh sáng pha trộn nhấp nháy, tương tự như ánh sáng thế hệ đèn huỳnh quang cũ. Liệu một hệ thống pha trộn màu hoặc dimmer có thể gây ra nhấp nháy có hại cho mắt?

Chúng ta đã có một nguồn ánh sáng tuyệt vời, phong phú, sáng, không dây và miễn phí, cung cấp cho chúng ta tất cả những gì chúng ta cần về quang phổ, hồng ngoại, UV, chiếu sáng, tương tác xã hội và tâm lý: Đó là ánh sáng ban ngày. Chúng ta có thể xây dựng hệ thống chiếu sáng thông minh trong công trình, nhưng thực tế là nếu có một thiết kế hợp lý về việc khai thác tối đa ánh sáng ban ngày, bạn sẽ có nhịp sinh học khỏe mạnh. Vì vậy, lời khuyên của các chuyên gia chiếu sáng là giáo dục mọi người về sự cần thiết của ánh sáng ban ngày; làm cho mọi người tích cực di chuyển, có được không khí trong lành và hiểu được tầm quan trọng của ánh sáng hợp lý vào buổi tối, với quang phổ ấm áp, ánh sáng mờ làm bạn dễ đi vào giấc ngủ. Ngoài ra, hãy xem xét việc thiết kế một không gian “melanopic trung tính” – không có tác động bất lợi đến hệ thống sinh học – bằng cách tránh ánh sáng quang phổ ấm và độ rọi yếu. Giảm các thiết bị điện tử được sử dụng trong nhà của bạn vào buổi tối và sử dụng màn chắn sáng để ngủ trong môi trường tối [1]. Cuối cùng, nên chờ các nhà khoa học sẽ kiểm tra tác động của ánh sáng sinh học trong y tế, và đối với những người làm việc theo ca – đó là những người có nhu cầu thực sự. Và, nếu kết quả là khả quan, thì mới xem xét cách áp dụng cách chiếu sáng này vào văn phòng, nhà ở và không gian công cộng.

*TS.KTS Nguyễn Anh Tuấn
P. Trưởng khoa – Khoa Kiến trúc, Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Đà Nẵng

(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 05-2019)

–––––––––––––––––––––––––––

Tài liệu tham khảo
[1] J. Rush, “Body clock wise – lighting design for the circadian cycle,” CIBSE journal, vol. December 2016, 2016.
[2] BIOS Lighting, “What is Circadian Lighting?,” 2018. [Online]. Available: https://bioslighting.com/what-is-circadian-lighting/. [Accessed 20 2 2019].
[3] M. S. Mott, D. H. Robinson, A. Walden, J. Burnette and A. S. Rutherford, “2012. Illuminating the effects of dynamic lighting on student learning,” Sage Open, vol. 2, no. 2, p. 2158244012445585, 2012.
[4] K. Konis, “A novel circadian daylight metric for building design and evaluation,” Building and Environment, vol. 113, pp. 22-38, 2017.
[5] P. Zwick, “CIE Statement on Non-Visual Effects of Light – recommending proper light at the proper time,” Light & Engineering, vol. 23, no. 4, pp. 4-5, 2015.
[6] R. J. Lucas, S. N. Peirson, D. M. Berson, T. M. Brown, H. M. Cooper, C. A. Czeisler, M. G. Figueiro, P. D. Gamlin, S. W. Lockley, J. B. O’Hagan and L. L. Price, “Measuring and using light in the melanopsin age,” Trends in neurosciences, vol. 37, no. 1, pp. 1-9, 2014.
[7] International well building institute, “The Well building standard,” New York, 2016.