触觉传感器 原理 科学家开发出基于FBG传感原理的触觉传感器应用于微创手术组织触诊
科学家开发出基于FBG传感原理的触觉传感器应用于微创手术组织触诊
近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所微创中心研究员王磊团队在基于布拉格光栅光纤传感原理在微创手术的应用——活体组织触诊的研究中实现了活体组织的精准力信息反馈和肿块信息的定位检测功能。相关研究成果以Development of a Fiber Bragg Grating-based Force Sensor for Minimally Invasive Surgery ―Case Study of Ex-vivo Tissue Palpation为题，发表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement上。
随着医疗技术的快速发展，微创手术（MIS）逐渐成为现实。但是，传统手术中发现的一些问题仍与MIS有关。例如，在进行微创外科手术期间，医护人员会暴露在手术室中发现的放射线和整形外科危害中。引入机器人辅助微创手术的技术成为了比传统微创手术更好的替代方案；然而，机器人辅助手术过程中伴随着外科医生的触觉丧失。外科医生通过操作机器人来进行微创手术，手术期间医生无法直接接触人体组织并且分析人体器官，因此无法保证所进行的手术的可靠性。在传统手术过程中，医生通过触觉去感知器官的异常情况，进而判断器官中是否存在肿瘤和肿块。但随着医疗机器人的普及，这种可获得的触觉信息尚未有效集成到机器人辅助的微创手术中，因此要求机器需要具有更高精确度和灵敏度的触觉信息反馈。深圳先进院科研人员在此基础上提出一种用于微创手术组织触诊中的高灵敏度布拉格光栅光纤（FBG）传感方案，与以往的电容式传感方案不同，光纤传感器与手术期间的磁共振(MR)系统和成像系统兼容。
为此，研究设计了用于微创手术的一维远端力传感器。其中，传感器结构中嵌有双光栅元件可用于解耦传感器在使用过程中受到的应变和温度交叉影响，实现更精准的力觉检测。研究中，科研人员基于双光栅元件结构设计出发，推导出相应的柔性结构理论模型。通过fmincon函数对柔性件进行了基于物理模型的优化设计，确定了结构的关键参数。采用有限元法对柔性件的静态和动态特性进行分析，在理论基础上验证了该柔性件的可行性。为了进一步提高传感器性能，并基于前馈神经网络对数据进行标定，该网络模型可精准预测力与波长偏移量的关系。研究还进行了温度补偿实验，验证了双光栅元件能够有效的进行温度解耦方案。实验结果表明，FBG传感器能够在1N范围内感知力值，平均相对误差小于满量程的2%；温度补偿后的误差0.8 mN。科研人员进一步对猪肝器官进行组织触诊实验，验证所提传感器设计在微创手术中的有效性和适用性。
研究实现了组织触诊中器官肿块信息的精准力反馈和定位检测，并提出了新型的温度解耦方案和传感器标定方法，为微创手术中手术机器人的触觉信息检测提供了有效技术路线，有望推动手术机器人在介入式医疗中的手术路径导航和机器控制中的应用。
研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划等的资助。
图1.FBG传感器的三维图
图2.FBG传感器用于组织触诊检测实验图和数据1FBG传感器用于组织触诊检测实验图和数据
来源：中国科学院深圳先进技术研究院
让机器人“拥有”人一样的敏感触觉
皮肤是人体最大的感觉器官，是人与外界环境接触交流的重要部分。它赋予人类感知不同形状纹理、温度变化和接触压力的能力。在生物学上，皮肤感知外界的重要媒介是嵌于皮肤下的各种感知受体，这些感知受体能将外界与皮肤接触产生的信息转换成电信号。
对于人类来说，触觉在我们日常生活工作中起着至关重要的作用。触摸与视觉相结合对于拾取物体等任务至关重要。而在机器人操纵领域，对于拿起不同的粗糙度表面的东西需要用多大的力，以怎样的姿势拿比较合适，这些对于人类来说再简单不过的问题，对机器人来说显然并不那么轻松。其中机器人手或抓手在拾取物体的同时需要增加触觉才可以消除在抓取柔软，易碎和可变形物体时所选择的力的不确定性。因此，电子皮肤是从根源上解决该问题的关键。
（图片来自网络）
何为电子皮肤？
顾名思义，它是一种人造的类皮肤的电学器件，其基本作用是模拟人类皮肤的功能。电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激（压力、温度、湿度）的新型电子器件。在电子皮肤的各种感知能力中，触觉感知尤为重要。在过去几十年中，电子皮肤因在智能机器人、健康监测、可穿戴设备和人机交互方面具有广阔的应用前景而备受全球瞩目。
在此背景下，中国科学院上海高等研究院曾祥琼研究员的研究团队从模拟人体皮肤传感机制和结构出发，创造性地将聚二甲基硅氧烷微球（PDMS微球）与石墨烯相结合，设计了一种基于指纹结构的新型多功能电子皮肤；利用石墨烯-PDMS微球油墨进行3D打印，构建了具有指纹微结构的石墨烯基多功能触觉感知电子皮肤器件，在此基础上提出了对于不同粗糙度表面的摩擦力检测方案。
图1 触觉传感器设计原理及3D打印流程 a)制备PDMS-石墨烯复合油墨的流程示意图；b)传感器灵敏层3D打印示意图；c)通过处理触觉信号区分不同粗糙度表面示意图
那么，电子皮肤究竟是如何区分不同粗糙度表面的呢？
通过对电子皮肤传感性能的研究发现，所构建的传感器不仅对压力具有灵敏响应，而且能有效反馈摩擦力的大小，因此利用传感器这一特性可以区分出具有不同粗糙度的表面，从而实现对物体表面的粗糙度、硬度等信息的有效区分和识别。
图2 a) 激光加工表面S1、S2、S3和S4的3D形貌；b) 激光加工表面S1、S2、S3和S4的平均粗糙度(Sa) ；c) 人体手指对不同粗糙度表面的触觉反应实验示意图；d)手指与不同表面作用下的平均摩擦系数；e) 实验装置示意图；f) 压力载荷(1N)作用于不同表面粗糙度的激光加工表面滑动时的摩擦力曲线；g) 摩擦力作用下传感器的电阻变化。
通过风载实验，验证了石墨烯-PDMS微球触觉传感器还能够对气体等流体进行有效的响应。这表明石墨烯-PDMS微球触觉传感器不仅可以运用到电子皮肤，用于对不同粗糙度表面的检测，而且还能扩展到其他应用，如气流监测、声音检测等。这项工作为可穿戴式传感提供了新途径，为电子皮肤的发展提供了新的思路。
参考文献：H. H. Wang, Y.M. Cen, X.Q. Zeng, Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking the Microstructure Perception Behavior of Human Skin, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 24, 28538–28545
来源：中国科学院上海高等研究院
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