手術(shù)機(jī)器人是現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用的重要里程碑，已經(jīng)獲得廣泛的臨床應(yīng)用。但與經(jīng)驗(yàn)豐富的人類外科醫(yī)生相比，目前的手術(shù)機(jī)器人往往缺乏“手感”，難以通過(guò)觸覺(jué)的精確、實(shí)時(shí)反饋，對(duì)人體組織進(jìn)行低力度的精細(xì)化手術(shù)操作。

為解決這一問(wèn)題，華中科技大學(xué)吳豪、尹周平團(tuán)隊(duì)研制了一款具有超高靈敏度的電子皮膚，它能夠檢測(cè)到切割不同生物組織時(shí)的微小接觸力差別，為手術(shù)機(jī)器人提供精密操作下的接觸力反饋。相關(guān)成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR），魏丹陽(yáng)為論文第一作者，吳豪、尹周平為共同通訊作者。

這種超靈敏電子皮膚采用電容式傳感原理，包括兩片柔性電極和一個(gè)具有仿生結(jié)構(gòu)的離子凝膠層——離子凝膠層模仿鵝腸菜花粉的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)，使該電子皮膚具備了極高的靈敏度和較寬的測(cè)量范圍，能夠?yàn)槭中g(shù)機(jī)器人提供精細(xì)操作下的接觸力反饋。

具有仿生結(jié)構(gòu)的超靈敏電子皮膚。

（a）鵝腸菜花朵實(shí)物圖；（b）鵝腸菜花粉SEM圖；（c）花粉局部放大圖；（d）仿生結(jié)構(gòu)表面形貌；（e）仿生結(jié)構(gòu)SEM放大圖；（f）電子皮膚結(jié)構(gòu)圖 （g）電子皮膚傳感原理圖。

離子凝膠層上的仿生微結(jié)構(gòu)不僅增加了與電極之間的接觸面積，而且增加了整體凝膠層的可壓縮性，使電子皮膚的靈敏度達(dá)到了9484.3 kPa-1（＜15 kPa）。在15-155kPa的范圍內(nèi)，靈敏度依然保持在235 kPa-1以上，并且顯示出優(yōu)秀的線性度。該傳感器實(shí)現(xiàn)了低至0.13 Pa的檢測(cè)限，可檢測(cè)出重量為0.35 mg的物體，在循環(huán)5000次后性能保持不變。

電子皮膚的檢測(cè)性能。

（a）0-155kPa范圍內(nèi)的靈敏度；（b）0-15kPa范圍內(nèi)的靈敏度；（c）電子皮膚對(duì)微小應(yīng)力（0.12Pa）的檢測(cè)能力；（d）對(duì)比其它研究的靈敏度；（e）電子皮膚響應(yīng)及恢復(fù)時(shí)間；（f）電子皮膚對(duì)連續(xù)水滴的檢測(cè)能力；（g）電子皮膚循環(huán)次數(shù)穩(wěn)定性。

在展示實(shí)驗(yàn)中，在電子皮膚提供的觸覺(jué)反饋的輔助下，機(jī)器人可完成穿針引線的操作過(guò)程，并檢測(cè)出穿針成功與不成功時(shí)的不同觸覺(jué)信號(hào)。

如下圖所示，在第一次及第二嘗試穿針失敗時(shí)，線頭觸碰到針孔附近的電子皮膚而產(chǎn)生信號(hào)變化，而在第三次嘗試穿針成功時(shí)，線頭直接穿過(guò)針孔，未接觸附近的電子皮膚，所以基本沒(méi)有信號(hào)變化。該應(yīng)用有望為機(jī)器人提供靈敏的觸覺(jué)感知，實(shí)現(xiàn)精密裝配、抓取分揀等精細(xì)操作。

三次穿針過(guò)程中的檢測(cè)信號(hào)

在進(jìn)一步的手術(shù)切割實(shí)驗(yàn)中，該電子皮膚能夠感知手術(shù)刀切割不同組織的接觸力區(qū)別。文中演示了電子皮膚測(cè)量切割肌肉和肝臟組織過(guò)程中的接觸力變化。

如下圖所示，在切割過(guò)程的不同時(shí)段，手術(shù)刀切割具有不同性質(zhì)的不同生物組織，傳感器也測(cè)量到不同的接觸力。該接觸力的變化能夠有效地反映出切割點(diǎn)附近的生物組織狀態(tài)，從而為醫(yī)生提供手術(shù)切割位置參考，降低組織切面的粗糙度促進(jìn)組織愈合速度。

機(jī)器人切割肌肉及肝臟組織時(shí)的傳感器反饋

該電子皮膚具有超高的靈敏度，能夠?yàn)槭中g(shù)機(jī)器人提供精細(xì)操作的觸覺(jué)反饋，有望在神經(jīng)科、泌尿科等需要精細(xì)操作的外科手術(shù)上應(yīng)用。

編輯：黃飛

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