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浙江大学张磊、童利民教授团队《ACS AMI》:用于感知组织硬度的微纳光纤触觉传感器
2021-01-20  来源:高分子科技

  随着微创精密手术和手术机器人的不断发展,病人康复质量显著提高。然而,微创手术中的触觉缺失或触觉失真导致微创手术存在偶发性器官破坏风险。准确获取组织器官的触觉信息不仅能够降低微创手术风险,还能够显著提升微创手术完成复杂手术的能力。高灵敏、小尺寸、抗电磁干扰的触觉传感器已经成为微创手术的迫切需求。


  鉴于此,浙江大学光电科学与工程学院张磊、童利民教授团队结合微纳光纤触觉传感器的大发排列3优势,提出了一种可用于微创手术中组织硬度区分的新型触觉传感器。如图1a所示,该器件以U形微纳光纤为传感单元,利用石英毛细管、特氟龙管和PDMS对微纳光纤进行紧凑型封装。由于PDMS的折射率(~1.40)略低于二氧化硅(~1.46),数百微米厚的PDMS层在有效约束微纳光纤外围倏逝场的同时,还能高保真地将外界刺激传导给微纳光纤,使微纳光纤的输出光强随外界压力的变化而变化。该器件所使用的微纳光纤直径约为1μm(图1b),仅为头发的几十分之一,压力感知灵敏度高达0.108 mN–1,压力分辨率为0.031 mN,时间分辨率高达500Hz。


图1.a)基于微纳光纤的紧凑型触觉传感器示意图;b)传导633 nm 波长激光的U形微纳光纤的显微镜照片;c)传感器实物照片。


  在轻触模式下,该传感器能分辨出邵氏A硬度差别为4°的PDMS样品,其硬度分辨能力达到甚至超出了人类的双手。该传感器的外径约为1.5mm(图1c),长度可以根据需要定制,具有与微创手术器械集成或配合使用的前景。在扫描模式下工作时,该传感器可以分辨出隐藏在PDMS样品内部的硬度异常(图2a-c),这对于微创手术时探测器官内部的肿块和血管位置至关重要。


  作者以猪肝和河蚌为样品,通过控制传感器以相同的速度触碰样品,展示了该传感器有效区分组织硬度的能力。实验发现,对应于不同硬度组织的信号峰形有显著差异,硬度较大的组织对应于光强信号的快速下降。由于该传感器的响应速度快,可以通光强信号的变化速度对组织硬度进行定性判断(图2a-c)。


图2. a-c)扫描模式下识别PDMS样品中的硬度异常;d)组织硬度区分的实验装置;d)传感器对不同河蚌不同部位的硬度探测;f)传感器对河蚌组织两个典型软硬部位的硬度探测信号响应。


  这种基于微纳光纤的紧凑型触觉传感器为组织触诊、手术机器人和物体识别中的硬度传感提供了新的解决方案。


  以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文的第一作者为浙江大学光电科学与工程学院博士生唐瑶,通讯作者为浙江大学张磊教授童利民教授


  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c20392

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