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《国家科学评论》发表吴豪尹周平团队超灵敏度电子皮肤研究成果
作者:刘韶宇 发布:22-12-30 13:06:50 点击量:
  

手术机器人是现代医疗设备应用的重要里程碑,已经获得广泛的临床应用。但与经验丰富的人类外科医生相比,目前的手术机器人往往缺乏“手感”,难以通过触觉的精确、实时反馈,对人体组织进行低力度的精细化手术操作。

为解决这一问题,我实验室吴豪、尹周平团队研制了一款具有超高灵敏度的电子皮肤,它能够检测到切割不同生物组织时的微小接触力差别,为手术机器人提供精密操作下的接触力反馈。相关成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),魏丹阳为论文第一作者,吴豪、尹周平为共同通讯作者。

这种超灵敏电子皮肤采用电容式传感原理,包括两片柔性电极和一个具有仿生结构的离子凝胶层——离子凝胶层模仿鹅肠菜花粉的多级微纳结构,使该电子皮肤具备了极高的灵敏度和较宽的测量范围,能够为手术机器人提供精细操作下的接触力反馈。

具有仿生结构的超灵敏电子皮肤。(a)鹅肠菜花朵实物图;(b)鹅肠菜花粉SEM图;(c)花粉局部放大图;(d)仿生结构表面形貌;(e)仿生结构SEM放大图;(f)电子皮肤结构图 (g)电子皮肤传感原理图。

离子凝胶层上的仿生微结构不仅增加了与电极之间的接触面积,而且增加了整体凝胶层的可压缩性,使电子皮肤的灵敏度达到了9484.3 kPa-1(<15 kPa)。在15-155 kPa的范围内,灵敏度依然保持在235 kPa-1以上,并且显示出优秀的线性度。该传感器实现了低至0.13 Pa的检测限,可检测出重量为0.35 mg的物体,在循环5000次后性能保持不变。

电子皮肤的检测性能。(a)0-155kPa范围内的灵敏度;(b)0-15kPa范围内的灵敏度;(c)电子皮肤对微小应力(0.12Pa)的检测能力;(d)对比其它研究的灵敏度;(e)电子皮肤响应及恢复时间;(f)电子皮肤对连续水滴的检测能力;(g)电子皮肤循环次数稳定性。

在展示实验中,在电子皮肤提供的触觉反馈的辅助下,机器人可完成穿针引线的操作过程,并检测出穿针成功与不成功时的不同触觉信号。

如下图所示,在第一次及第二尝试穿针失败时,线头触碰到针孔附近的电子皮肤而产生信号变化,而在第三次尝试穿针成功时,线头直接穿过针孔,未接触附近的电子皮肤,所以基本没有信号变化。该应用有望为机器人提供灵敏的触觉感知,实现精密装配、抓取分拣等精细操作。

三次穿针过程中的检测信号

在进一步的手术切割实验中,该电子皮肤能够感知手术刀切割不同组织的接触力区别。文中演示了电子皮肤测量切割肌肉和肝脏组织过程中的接触力变化。

如下图所示,在切割过程的不同时段,手术刀切割具有不同性质的不同生物组织,传感器也测量到不同的接触力。该接触力的变化能够有效地反映出切割点附近的生物组织状态,从而为医生提供手术切割位置参考,降低组织切面的粗糙度促进组织愈合速度。

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机器人切割肌肉及肝脏组织时的传感器反馈

该电子皮肤具有超高的灵敏度,能够为手术机器人提供精细操作的触觉反馈,有望在神经科、泌尿科等需要精细操作的外科手术上应用。


论文信息:

Monitoring delicate operations of surgical robots by ultra-sensitive ionic electronic skin

https://doi.org/10.1093/nsr/nwac227

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