中國研發出米粒大小傳感器，讓手術機器人能實時“觸摸”

這款傳感器利用光學傳感和AI驅動分析，能夠檢測軟組織下隱藏的類腫瘤結構。

中國研究人員開發出一種米粒大小的光學傳感器，能夠為手術機器人和醫療工具賦予觸覺。該裝置利用光而非電子元件，測量各個方向上的力、壓力和扭轉。

傳感器尺寸僅為1.7毫米。研究人員稱，它能幫助機器人在精細手術中檢測到危險接觸并立即做出響應。團隊還展示，該設備可識別軟材料下方的隱藏結構，包括嵌入組織模型中的類腫瘤物體。

該研究來自上海交通大學的研究人員。

光取代電子元件

當前機器人手術系統主要依賴影像，但難以感知狹小手術空間中的物理交互，而現有力傳感器對許多微型工具來說仍然過大。

中國上海交通大學研究團隊負責人楊建龍表示：“盡管現代成像系統能夠清晰顯示組織結構，卻無法提供力或扭矩等物理交互信息，而現有的力傳感器往往過于龐大或復雜，難以集成到微型工具中?！?/p>

“通過讓機器測量接觸力、壓力、剪切和扭轉，我們的技術可以使機器人在狹小且敏感的環境中及早發現不安全接觸，并實時調整動作。”

研究團隊圍繞一根光纖設計傳感器，頂端裝有軟彈性體。當尖端接觸物體時會產生輕微變形，這一微小運動改變了光在傳感器內部的散射方式。

然后，一束相干光纖將光圖案傳輸至相機。系統通過數據驅動方法分析捕捉到的圖像，計算出各個方向的力和扭矩。

研究人員表示，這種設置避免了傳統微型傳感器中復雜的布線問題。

楊建龍說：“我們的傳感器與傳統微型力傳感器工作原理不同，例如光纖布拉格光柵系統依賴多個傳感元件和精心設計的結構來分離不同的力分量?！?/p>

“我們不是在逐個測量力，而是在單一步驟中感知整體的接觸狀態。我們相信，這種轉變能讓人們更輕松地構建既能‘看見’又能‘感知’的緊湊型工具?！?/p>

探測隱藏結構

團隊在已知力和扭轉運動的受控加載條件下測試了該裝置。傳感器提供了可重復的測量結果，且遲滯低，意味著在加載和卸載循環中讀數保持一致。

研究人員還在明膠模型中測試了該裝置，模型中嵌有模仿隱藏在組織下的腫瘤的硬質球體。傳感器成功檢測并定位了這些嵌入結構。

團隊認為，該技術能夠改善微創手術中的觸覺引導。使用機器人系統的外科醫生常在狹窄通道中操作，意外接觸可能損傷脆弱的組織。

楊建龍表示：“用于微創手術的機器人系統在極其狹小的空間中運行，例如眼內或狹窄的手術通道。通過使工具和機器人更安全、更精準，這一技術可以讓精細的醫療操作更加可控，降低意外損傷的風險?！?/p>

邁向實際應用

研究人員現計劃提高制造一致性，并在商業化推廣前降低校準要求。他們還打算將傳感器集成到醫療和工業機器人系統中，在實際操作條件下進行長期測試。

團隊稱，后續工作將側重于將該技術封裝成緊湊系統，以便臨床醫生和工程師能夠在實際環境中輕松部署。

該研究發表于《Optica》期刊。

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