超灵敏电子皮肤——手术机器人

研究背景

医疗设备对医疗保健和健康促进至关重要。作为当今高端医疗设备的标志性产品和重要的前沿研究领域，手术机器人正在对疾病诊断、手术、康复和医疗服务产生革命性的影响，并引领精准医疗、远程医疗和智能医疗的发展。与传统的人工手术相比，机器人辅助手术具有更高的操作精度和更好的操作质量；这在神经外科、心胸外科、妇科、泌尿外科和其他领域已经得到证实。有外科研究报告指出，机器人辅助方法可以通过远程控制系统改善医疗手术，从而提高手术效率，减少手术并发症，缓解外科医生的疲劳。然而，现有的手术机器人，如达芬奇机器人，只有图像反馈，没有任何术中触摸感。正因为如此，外科医生在手术过程中只能通过远程操作操纵杆和观看末端执行器传输的图像来操纵末端执行器，但无法通过相关的触觉数据识别组织属性和组织病变。这增加了手术的不确定性和风险。触觉传感是解决这些挑战的关键，在手术机器人上实现触觉传感器是力反馈控制的愿望。

研究成果

高端医疗设备中手术机器人的到来是一个里程碑，而触觉的实现则是这一重 要前沿研究领域的重大挑战。为了解决这个问题，华中科技大学Hao Wu & Zhouping Yin教授团队提出了柔性电容压力传感器形式的超敏感离子型电子皮肤，它将多级仿生微结构纳入离子凝胶中，用于监测手术机器人的精细操作。值得注意的是，该电子皮肤表现出9484.3 kPa-1 (<15kPa) 的超高灵敏度，在15-155 kPa的宽广范围内，灵敏度仍高于235 kPa-1。该装置还实现了低至0.12 Pa或相当于0.31 mg的检测极限，在24 ms内快速响应，以及高鲁棒性(加载/卸载5000个周期而不疲劳)。该传感器为远程操作的机器人穿针引线这一具有挑战性的任务提供了便利，它超过了人类穿针引线时的触觉感知极限。作者还证实，离子皮肤可用于机器人辅助的有创手术，如切开/切除组织和缝合伤口，为外科医生提供触觉信息以提高手术成功率。灵活的离子皮肤能够符合机器人操纵器的各种形状，因此在机器人灵巧操纵、假肢和人机界面方面的应用大有可为。相关研究以“Monitoring the delicate operations of surgical robots via ultra-sensitive ionic electronic skin”为题发表在National Science Review期刊上。

研究亮点

1. 报告了一种新型的电容式离子电子皮肤，其灵感来自于花粉表面的多层次微结构，用于手术机器人触觉感应。

2. 该传感器采用的电子导电复合材料(ECC) 作为电极材料，具有良好的导电性和可拉伸性，可以低成本制作成大面积阵列，并在复杂的弯曲表面上保持优异的性能。

图文导读

Figure 1. Sensitive design of capacitance sensor dielectric layer surface microstructures inspired by Myosoton aquaticum pollen surface multistage microstructures.

Figure 2. Characterizations of sensing materials and influence of microstructures on sensor performance.

Figure 3. Measurement performances of MBM-based ionic e-skin sensors.

Figure 4. The tele-operated needle threading task.

Figure 5. Monitoring of needle insertion operations by a robotic manipulator.

Figure 6. Monitoring of the surgical resection of tissues by MBM sensors.

总结与展望

综上所述，作者提出了生物启发的电容式离子型电子皮肤传感器，用于监测手术机器人的精细操作。基于Myosoton aquaticum花粉的表面微观结构，设计了一个仿生感应系统的结构，并结合功能材料的特点对现有的生物模型进行了优化。由此产生的多级仿生微结构赋予了触觉传感器前所未有的高压力测量灵敏度9484.3 kPa-1 (<15 kPa)。由于其固有的灵活性，电容式离子型皮肤传感器可以方便地连接到机器人操纵器上，从而实现机器人穿针引线的精细操作，以及在机器人辅助的有创手术中对针头插入和切除的触觉监测。在设备的大规模生产过程中，为了提高传感器性能的一致性，有必要严格规定准备过程和条件。此外，电极在长期使用后会被氧化，通过改进包装工艺可以减缓电极的氧化。由于制作方案简便，灵敏度高，离子型电子皮肤传感器在机器人的灵巧操作、人工肢体、人机界面等方面也有很大的应用前景。

文献链接

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

https：//doi.org/10.1093/nsr/nwac227

转自：“i学术i科研”微信公众号

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