手术传感器 斯坦福大学研发血流传感器，无需手术摘除
斯坦福大学研发血流传感器，无需手术摘除
在NatureBiomedicalEngineering上一篇题为“用于血流无线监测的可生物降解和柔性动脉脉冲传感器”的论文中描述了一种薄柔性装置设计，该装置用于在涉及血管缝合的复杂重建手术后监测局部血流，例如心血管，血管和移植手术。
到目前为止，市场上存在的传感器需要仔细固定并且在使用后需要摘除，这将带来额外的手术风险。该论文描述了一种薄而灵活的压力传感器，完全由可生物降解的材料制成，可以缠绕直径小至1mm的动脉。
动脉搏动影响血管直径，其可通过缠绕在动脉的可生物降解的电容脉冲传感器测量。电容的变化导致LCR电路的基频的偏移，这可以被换算为血流量。整个装置由一个分别在接触和非接触模式下敏感的分层边缘场电容传感器组成，该电容器连接到双层线圈结构，用于与外部读取器线圈的射频耦合进行数据传输。
传感器的特写图，用于无线数据传输的双层线圈结构的原理图和缠绕在动脉周围的袖带型脉冲传感器。这里通过脉冲检测间接测量血流，因为动脉血管直径脉动的变化，可以通过电容传感器测量。电容的变化导致LCR电路中的谐振频率的偏移，通过电感耦合穿过皮肤进行无线监控，从而实现无电池操作。
为了确保低成本和所有器件的再吸收，薄传感器通过简单的层压和封装工艺制造，使用生物兼容和生物降解材料的微米层，如镁（Mg）用于电气互连，聚（甘油）癸二酸酯用于介电层，聚（八亚甲基马来酸酯（酸酐）柠檬酸酯）和聚羟基丁酸酯/多羟基戊酸酯用于包装层，和用于双层线圈的聚（乳酸）间隔物。
根据论文描述，该传感器的响应时间在毫秒范围内，且具有较高的循环耐久性，该装置适用于手术完成后几个月内的实时血流量监控。该传感器的功效在体外用定制的人造动脉模型首次得到验证，然后在大鼠体内得到验证。
（文章来源：与非网）
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中国科学家设计超薄指尖传感器，可用于外科微创手术
视频中的人，蒙着眼睛，只需要用手指触摸，就可以辨别出纸上的字母。实现这个能力，用的是一个重量仅为 1.3 克的设备。而负责给指尖传导信号的硅胶薄膜，只有 18 微米厚。这个厚度，薄于一张普通 A4 纸厚度（104 微米）的五分之一，也远远小于人体表皮的厚度（数十到上千微米）
这是中国科学家冀晓斌领衔开发出的新型设备，只用 1.3 克的重量，能够产生 1 到 500Hz 的震动信号，给手指传递不同的触感。实现 “盲人摸字” 的原理很简单，用发光二极管作为传感器，感知纸面反光的强度，将信号传递给一个微型控制器。当触碰到黑色的区域，设备就会自动开启，将异样的触觉传递给指尖。人通过触觉反馈，就能识别出图案。
这个设备的名字叫做 feel-through DEA(下称 FT-DEA)，“盲人摸字”的试验，只是对其功能的一个验证。更重要的是，这种轻巧的触觉传感器，提供了一种新型的人机交互界面，具有高灵敏度和宽信号频域，如果跟不同的 VR 或 AR 设备结合，就可以开发出更逼真的虚拟现实或增强现实体验。
冀晓斌介绍，”feel-through”表明了这款新型穿戴装置的优势。由于其轻薄的特性，18 微米的薄膜既能够传递给手指额外的触觉信号，同时又保持了人手指日常的感觉和活动功能。“戴上这个装置，继续敲键盘，喝咖啡，或者是触摸其它物品，都不会受影响。”
冀晓斌于 2013 年和 2015 年先后在法国获得学士与硕士学位，2019 年在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）获得微系统与微电子博士学位，回国后，成为河北工业大学校聘教授，属于该校李铁军教授团队成员，研究方向是小型智能软体机器人系统与可穿戴设备。
他告诉 DeepTech，自己原本在 EPFL 做博士后，12 月回国，正好赶上疫情，就辞去了在瑞士的工作，决定在国内高校任职。在几个选项中，他被河北工业大学所提供的资源和平台所打动，最终选择了这里，目前他正在筹备自己的实验室。
图 | a. 指尖上的 Feel-through DEA 触觉设备；b. 佩戴 FT-DEA 弹钢琴（来源：论文）
超薄触觉反馈装置，实现新的人机界面
一提到 VR 和 AR 设备，标志性的设备就是头戴眼镜，它能够呈现出栩栩如生的画面和声音。但这只是虚拟体验的一部分，更困难的是提供虚拟触觉。
目前，实现与虚拟对象的互动，需要使用手持的电机设备，它们不仅笨重，也只能传导非常粗糙的触感，使用的时候，需要以特定的姿势持握，对人的动作限制也很大。也就是说，现有的手持设备，会阻止人手原有的力学感受功能，穿戴上以后，手指日常的功能就会受到影响。
图 | Valve Index VR 设备
要实现科幻电影里身临其境的 VR 和 AR，必须要有更轻便的触觉传感装置。冀晓斌和同事们的工作，就是在这一思路下诞生的。
能够做出如此轻便的设备，关键的技术在于以极低的电压输出高功率密度，从而将人类能够识别的信号送达到指尖。虽然硅胶薄膜只有 18 微米厚，但是在输出信号为 580Hz 时，功率密度能够大于 10⁶W/m³。
低驱动电压，使得 FT-DEA 的控制与供能设备可以做得足够小，来实现无线工作，这满足了穿戴设备的需求。
低电压的技术，是冀晓斌在博士课题中实现的突破。他在 EPFL 做博士期间，师从软体传感器实验室（EPFL—LMTS）主任 Herbert Shea 教授，完成了 “低电压高速率介电型弹性体驱动器” 的课题。高驱动电压是 20 多年来困扰 DEA 领域的一个基本问题。
所谓 DEA，是介电型弹性体驱动器的简称。冀晓斌介绍，这是一种电驱动的人工肌肉，可以将电能转化为机械能。
冀晓斌的博士课题成功地将 DEA 驱动电压降低了一个数量级，并且研发出了前所未有的高性能、低电压 DEA。
冀晓斌也针对开发的低电压、高性能 DEA 设计了新型应用，之前设计的软体机器昆虫，发表于机器人顶尖期刊 Science Robotics；此次的 FT-DEA 则是可穿戴的触觉反馈装置，于 2020 年 10 月发表于材料学期刊Advanced Functional Materials 上。两篇论文，冀晓斌都是一作。
图 | 冀晓斌（来源：受访者）
DEA 所使用的硅胶薄膜本身不导电，它双面涂上电极后相当于一个电容器，当充满电之后，两电极间产生的静电力在厚度方向压缩硅胶薄膜，从而让薄膜面积增大产生形变。这一过程把电能转化成了机械能。使用不同频率的控制电信号，可以控制驱动器的运行速率。
冀晓斌形容，“通俗地讲，DEA 就是一个软体平行板电容器。”使用聚二甲硅氧烷（PDMS）这一材料当作介电层的性能优势是相关 DEA 的反应速率快，能够达到毫秒级别。由于 PDMS 这种材料的粘弹性很小，相比于其它的介电材料（比如 VHB）其力学性质对DEA 运行速度的影响要小的多。
在指尖实现不同类型的信号传导
手指尖端有丰富的感受神经，而以弹性硅胶为材料的 DEA 能够适应手指的形状并且贴合皮肤。FT-DEA 在通电工作时完全静音，因此非常适合作为穿戴于指尖的触觉反馈器。
FT-EDA 戴在手指上，在不通电的时候，硅胶薄膜处于预拉伸的状态，会给指尖皮肤一个轻微的压力。当通电之后，静电力产生作用，DEA 激活，就会释放预先施加的压力，从而使皮肤产生正方向（纵向）的位移。当使用从 1 到 500Hz 不同的驱动频率，薄膜会产生对应不同的位移和拉伸，从而产生不同的触觉反馈信号。
图 | d. DEA 通过拉伸皮肤来给穿戴者产生触觉反馈信号 e. 电压开关状态下皮肤以及 FT-DEA 侧视图。(来源：
那人类是否能够准确识别出不同的信号类型呢？
研究寻找了 11 个不同性别、年龄的使用者，通过两个测试来收集他们的反馈。第一个测试，研究人员用不同频率的信号进行测试，让使用者评判是否能够感知到信号，并按照感觉强度从 0（没感觉）到 4（感觉很强）给出打分。最终的结果显示，除了关机时的感觉为零，_几乎_其它的频率都可以被感知到，而在 5 到 200 Hz 的区间，感知程度都保持在 2 以上。
在第二个测试中，使用者被随机给予 6 种不同的信号类型：10Hz、200Hz、在 10Hz 与 200Hz 间切换、由关闭升为 200Hz、由 200Hz 降为关闭、关闭。通过 10 分钟的简单学习后，使用者被随机给予不同的信号刺激，并进行辨别，结果显示了 73% 到 97% 的辨别正确率。
这两个试验证明，仅仅通过目前指尖单点的装置，已经能够成功传导多种触觉信号。
图 | a. 使用者对于不同频率信号的反馈强度平均值统计 b. 使用者对 6 种不同信号的识别混淆矩阵，对角线显示为正确率（来源：论文）
冀晓斌表示，这仅仅是一个初步验证，证明 FT-DEA 准确表达触觉信号的可行性，研究中已经展示了 10 个 DEA 在手指上形成的一个阵列结构，未来将突破单点的信号模式，使用 DEA 阵列来模拟局部的手部感觉，或者反馈更为完整的运动路径。
图 | 10 个 DEA 组成的阵列，覆盖在手指上。（来源：论文）
专访一作冀晓斌
DeepTech：请问 FT-DEA 的结构是怎样的？
冀晓斌：这是一个多层的结构，两层电极中间夹一个介电弹性体硅胶层，是一个基本的单元。一共有 3 个单元堆叠起来，总计共有 7 层，其中有 4 层电极，3 层硅胶层。这样设计的目的是增大它的输出力，单硅胶层厚度是 6 微米。在这项工作中，我们堆叠了三层，手指尖端的感受很灵敏，如果将来应用于身体其它部位，比如背部，有对输出力的强度有更高的要求，可以通过堆叠更多的厚度来增加输出力，从而使其它部位也能够感受到反馈信号。
DeepTech：FT-DEA 的特色是能够在低电压的驱动下，以非常薄的材料实现其性能，这建立在你博士课题的技术突破上，实现低电压驱动的难点在哪里？
冀晓斌：降低 DEA 驱动电压大致有两种方法，第一，增加介电层的介电常数。第二，降低介电层的薄膜厚度。我们选取的是第二种途径。
当薄膜厚度降低后，对薄膜的质量要求很高。如果薄膜质量不高，比如厚度不均匀，相关 DEA 性能会受限制。
更加具有挑战性的是，降低介电层厚度后，对 DEA 的电极要求苛刻。既需要有很好的导电性能来保证 DEA 快速充放电，又必须具备很好的力学性能来降低对整个薄膜结构的僵化。我们开发了基于 Langmuir 原理的先进纳米制造工艺来二维组装 DEA 的可拉升电极。研发出了分子厚度的可拉伸电极来满足这些苛刻要求。
DeepTech：在蒙眼识字的试验中，增加了一个发光二极管，它的作用是什么？
冀晓斌：这个实验中我们做了一个集成的无线控制系统，整体装置只有 1.3 克，这也是可穿戴设备的要求，不能很重，不会影响正常生活。发光二极管的作用是识别颜色，它能够探测颜色，将收集到的信号传导给微控制器，从而决定 FT-DEA 是否开启。当探测到黑色的时候，微控制器就会反馈出 450 伏 200 赫兹的频控制信号，而在白色的时候是关闭的。使用者通过手指的感受就可以读取黑色的字母。
DeepTech：目前只进行了一个识字试验，FT-DEA 还有哪些应用的潜力？
冀晓斌：VR 里，可以应用它去触碰一些虚拟的物体。研究中展示了一个戴在手指上的矩阵，假设它可以覆盖整只手，就可以实现感知一些虚拟的图像，或者当手做出一个类似抓握这样的动作时，也可以给予相对应的反馈信号。
当然我们目前只是模拟了表皮上的触觉，如果未来的 VR 要实现让人感受到一个不存在的事物，比如拿住一支笔，需要完整的信息，包括关节的姿态，还有皮肤的触觉，一个理想的手套是能够完成所有的任务的。这也是将来要突破的工作。
另外在一些需要精细操作的地方，比如一些外科手术、精细组装等，人体本身的精度是有限的，在精细操作的时候容易产生误差，而电子设备能够实现更高的精准度。
比如一些外科微创手术，能够通过它来告知操作者精度的范围，帮助人手实现更好的操作。这能够实现人和机器之间更密切的交互，机器通过触觉反馈给人类信号，比如将一层这样活性的薄膜戴在手上时，就增强了人机交互的维度，同时具有便利性。
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