隨著微創(chuàng)精密手術(shù)和手術(shù)機(jī)器人的不斷發(fā)展，病人康復(fù)質(zhì)量顯著提高。然而，微創(chuàng)手術(shù)中的觸覺缺失或觸覺失真導(dǎo)致微創(chuàng)手術(shù)存在偶發(fā)性器官破壞風(fēng)險(xiǎn)。準(zhǔn)確獲取組織器官的觸覺信息不僅能夠降低微創(chuàng)手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還能夠顯著提升微創(chuàng)手術(shù)完成復(fù)雜手術(shù)的能力。高靈敏、小尺寸、抗電磁干擾的觸覺傳感器已經(jīng)成為微創(chuàng)手術(shù)的迫切需求。
鑒于此，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院張磊、童利民教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合微納光纖觸覺傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出了一種可用于微創(chuàng)手術(shù)中組織硬度區(qū)分的新型觸覺傳感器。如圖1a所示，該器件以U形微納光纖為傳感單元，利用石英毛細(xì)管、特氟龍管和PDMS對(duì)微納光纖進(jìn)行緊湊型封裝。由于PDMS的折射率（~1.40）略低于二氧化硅（~1.46），數(shù)百微米厚的PDMS層在有效約束微納光纖外圍倏逝場的同時(shí)，還能高保真地將外界刺激傳導(dǎo)給微納光纖，使微納光纖的輸出光強(qiáng)隨外界壓力的變化而變化。該器件所使用的微納光纖直徑約為1μm（圖1b），僅為頭發(fā)的幾十分之一，壓力感知靈敏度高達(dá)0.108 mN–1，壓力分辨率為0.031 mN，時(shí)間分辨率高達(dá)500Hz。
圖1.a）基于微納光纖的緊湊型觸覺傳感器示意圖；b）傳導(dǎo)633 nm 波長激光的U形微納光纖的顯微鏡照片；c）傳感器實(shí)物照片。
在輕觸模式下，該傳感器能分辨出邵氏A硬度差別為4°的PDMS樣品，其硬度分辨能力達(dá)到甚至超出了人類的雙手。該傳感器的外徑約為1.5mm（圖1c），長度可以根據(jù)需要定制，具有與微創(chuàng)手術(shù)器械集成或配合使用的前景。在掃描模式下工作時(shí)，該傳感器可以分辨出隱藏在PDMS樣品內(nèi)部的硬度異常（圖2a-c），這對(duì)于微創(chuàng)手術(shù)時(shí)探測(cè)器官內(nèi)部的腫塊和血管位置至關(guān)重要。
作者以豬肝和河蚌為樣品，通過控制傳感器以相同的速度觸碰樣品，展示了該傳感器有效區(qū)分組織硬度的能力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于不同硬度組織的信號(hào)峰形有顯著差異，硬度較大的組織對(duì)應(yīng)于光強(qiáng)信號(hào)的快速下降。由于該傳感器的響應(yīng)速度快，可以通光強(qiáng)信號(hào)的變化速度對(duì)組織硬度進(jìn)行定性判斷（圖2a-c）。
圖2. a-c）掃描模式下識(shí)別PDMS樣品中的硬度異常；d）組織硬度區(qū)分的實(shí)驗(yàn)裝置；d）傳感器對(duì)不同河蚌不同部位的硬度探測(cè)；f）傳感器對(duì)河蚌組織兩個(gè)典型軟硬部位的硬度探測(cè)信號(hào)響應(yīng)。
這種基于微納光纖的緊湊型觸覺傳感器為組織觸診、手術(shù)機(jī)器人和物體識(shí)別中的硬度傳感提供了新的解決方案。
以上相關(guān)成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文的第一作者為浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士生唐瑤，通訊作者為浙江大學(xué)張磊教授與童利民教授。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c20392
