微創(chuàng)手術(shù)（Minimally invasive surgery）因其創(chuàng)傷小、疼痛輕、恢復(fù)快等特點(diǎn)而備受關(guān)注。然而，目前大多數(shù)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人都缺乏力感知（force sense）的能力，從而存在較高的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。準(zhǔn)確的力傳感單元、快速的信號處理和有效的操作主控器是有前途微創(chuàng)手術(shù)的力傳感系統(tǒng)的重要組成部分。因此，高性能力傳感器的構(gòu)建是解決微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人力傳感不足的關(guān)鍵因素。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，蘇州大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在Advanced Sensor Research期刊發(fā)表了以“Force Sensing and Feedback System Based on Novel Triaxial Force Capacitive Sensor for Minimally Invasive Surgical Robot”為主題的論文。該論文第一作者為蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院Lu Zhang；通訊作者為王鳳霞研究員和劉會聰教授，王鳳霞研究員主要從事機(jī)器人智能感知系統(tǒng)、人-機(jī)交互界面和柔性傳感系統(tǒng)方面的研究工作，劉會聰教授主要從事微納感知、柔性傳感、機(jī)器人智能安全交互以及可穿戴人機(jī)交互方面的研究工作。
這項(xiàng)研究工作提出了一種基于新型柔性三軸力電容式傳感器的微創(chuàng)手術(shù)力傳感與反饋系統(tǒng)，用于檢測微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的抓握力。該研究通過將柔性三軸力電容式傳感器集成到微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器中，從而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)的力傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對仿生組織執(zhí)行抓握、觸碰等動作，來檢測三軸力的大小以及抓握或觸碰動作的實(shí)時(shí)位置。
該微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人主要由柔性三軸力電容式傳感器、信號采集電路、顯示界面和操作主控手組成，如圖1所示。柔性三軸力電容式傳感器主要用于檢測抓握或觸碰組織時(shí)的力，以抓握器和接觸桿為實(shí)驗(yàn)對象。在數(shù)據(jù)處理部分，結(jié)合采集數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)，采用函數(shù)擬合的方法直接輸出力值。再與顯示器相連接，三軸力可通過串行通信上傳到PC端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。最后，傳感的力值可以提供給操作系統(tǒng)，以輔助操作并提高操作感知。
圖1 微創(chuàng)手術(shù)力傳感系統(tǒng)
該研究工作采用柔性三軸力電容式傳感器作為微創(chuàng)手術(shù)的力傳感單元。典型的三軸力電容式傳感器主要由四個傳感器陣列組成。當(dāng)在每個方向上對傳感器施加三軸力時(shí)，四個傳感器單元將根據(jù)對不同方向的力的不同電容值來識別和檢測三軸力。該研究提出的新型柔性電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，解決了高靈敏度與寬壓力檢測范圍之間的權(quán)衡問題：通過插入微結(jié)構(gòu)電極來提高靈敏度，并通過正交使用微結(jié)構(gòu)來增加壓力檢測范圍。該器件制造工藝方案如圖2所示。
圖2 柔性三軸力電容式傳感器的制造工藝
該傳感器主要由凸塊、三角錐狀聚二甲基硅氧烷（PDMS）微結(jié)構(gòu)、磁控濺射三角錐狀微結(jié)構(gòu)電極、帶有三角錐狀PDMS微結(jié)構(gòu)的印刷電極以及柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底組成。
該柔性三軸力電容式傳感器由四個傳感器單元構(gòu)成。由于傳感器單元是影響三軸力電容式傳感器性能的關(guān)鍵因素，因此研究人員首先對每個傳感器單元進(jìn)行了研究，隨后對柔性三軸力電容式傳感器的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，該柔性三軸力電容式傳感器具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性、微弱壓力的傳感能力和出色的柔性。該傳感器所具有的良好動態(tài)響應(yīng)和優(yōu)異穩(wěn)定性，顯示出其在微創(chuàng)手術(shù)中的廣闊應(yīng)用前景。圖4為該柔性三軸力電容式傳感器的結(jié)構(gòu)和性能示意圖。
圖3 柔性三軸力電容式傳感器的性能
圖4 柔性三軸力傳感器的結(jié)構(gòu)和性能示意圖：（a）柔性三軸力電容式傳感器的結(jié)構(gòu)；（b）信號采集電路；（c-e）傳感器的三軸力校準(zhǔn)
為探究在微創(chuàng)手術(shù)過程中該三軸力傳感器如何檢測觸碰組織的力，將三軸力傳感器集成到微創(chuàng)機(jī)器人末端執(zhí)行器的抓握器和接觸桿中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該三軸力傳感器在抓握仿生組織時(shí)可實(shí)時(shí)檢測三軸力的大小，為在微創(chuàng)手術(shù)中的實(shí)際操作提供了可能。
圖5 抓握仿生組織的實(shí)時(shí)三軸力
憑借其優(yōu)異的柔性，該三軸力傳感器可以被集成到彎曲的接觸桿中，以檢測觸碰模擬仿生組織時(shí)的接觸力。這些動作可以模擬微創(chuàng)手術(shù)中接觸桿在觸碰仿生組織表面時(shí)的三軸力大小，結(jié)果如圖6所示。
圖6 觸碰仿生組織的實(shí)時(shí)三軸力
綜上所述，這項(xiàng)研究提出了基于新型柔性三軸力電容式傳感器的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的力傳感與反饋系統(tǒng)。該電容式力傳感器主要由三角錐狀微結(jié)構(gòu)電極和正交三角錐狀微結(jié)構(gòu)絕緣層組成，解決了高靈敏度與寬檢測范圍之間的權(quán)衡問題，法向力的檢測范圍為0-3 N，靈敏度高達(dá)69.19% N?1。將三軸力電容式傳感器集成到微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器中，從而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)的力傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在顯示界面實(shí)時(shí)顯示抓握或觸碰動作的位置以及三軸力的大小。更重要在于，傳感的力值可以進(jìn)一步控制夾具的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)該新型力傳感與反饋系統(tǒng)。該基于柔性三軸力電容式傳感器的新型微創(chuàng)手術(shù)的力傳感系統(tǒng)為其在微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
這項(xiàng)研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB1307700）、國家自然科學(xué)基金（61773372、62173240）、江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（HIT）項(xiàng)目（SKLRS-2021-KF-02）和蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（SLC201902）的資助和支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adsr.202300033
延伸閱讀：
《印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場-2021版》
《Merit Sensor壓力傳感器及MEMS芯片分析》
《觸覺技術(shù)及市場-2022版》
