新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員受大自然的啟發(fā)，開發(fā)了一種名為“eAir”的空氣彈性壓力傳感器，從而徹底顛覆了傳統(tǒng)壓力檢測(cè)的方式。
Benjamin Tee副教授（中）、Cheng Wen博士（左）及Wang Xinyu女士（右）共同開發(fā)了一種名為“eAir”的新型空氣彈性壓力傳感器（Benjamin Tee副教授手持面板上的金色條帶）。這項(xiàng)技術(shù)有望提高壓力傳感器的精度和可靠性，并可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)和植入式傳感器。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）的研究人員開發(fā)了一種名為“eAir”的新型空氣彈性壓力傳感器。這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)和植入式傳感器，從而直接解決與現(xiàn)有壓力傳感器相關(guān)的挑戰(zhàn)。
這種“eAir”壓力傳感器有望提高醫(yī)療實(shí)踐中的傳感精度和可靠性，有望通過為外科醫(yī)生提供觸覺反饋來變革腹腔鏡手術(shù)，從而使得外科醫(yī)生可以更精確地操縱患者的組織。此外，“eAir”壓力傳感器可以通過提供一種侵入性較小的顱內(nèi)壓（ICP，是神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的關(guān)鍵健康指標(biāo)）監(jiān)測(cè)方法來改善患者的治療體驗(yàn)。
這項(xiàng)研究由新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院（NUS College of Design and Engineering）和新加坡國(guó)立大學(xué)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所（NUS Institute for Health Innovation & Technology）的Benjamin Tee副教授牽頭，其研究團(tuán)隊(duì)的研究成果于近期發(fā)表在Nature Materials期刊上。
從荷葉到實(shí)驗(yàn)室：汲取大自然的智慧
傳統(tǒng)的壓力傳感器經(jīng)常存在精度問題。首先，其讀數(shù)缺乏一致性，當(dāng)重復(fù)施加相同的壓力時(shí)，它們通常會(huì)返回不同的結(jié)果，并且可能忽略壓力的細(xì)微變化，所有這些都可能導(dǎo)致重大誤差。其次，傳統(tǒng)的壓力傳感器通常由剛性材料制作而成。
為了解決傳統(tǒng)壓力傳感存在的上述挑戰(zhàn)，來自新加坡國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)從一種被稱為“荷葉效應(yīng)”的現(xiàn)象中獲得了靈感。“荷葉效應(yīng)”是一種獨(dú)特的自然現(xiàn)象，在這一現(xiàn)象中，水滴可以毫不費(fèi)力地從荷葉表面滾下，這是由于荷葉上微小的防水結(jié)構(gòu)。為了模擬這種效應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種壓力傳感器，以顯著提高其傳感性能。
新加坡國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家們從“荷葉效應(yīng)”中獲得了靈感。“荷葉效應(yīng)”是一種獨(dú)特的自然現(xiàn)象，在這一現(xiàn)象中，水滴可以毫不費(fèi)力地從荷葉表面滾下，這是源于荷葉上微小的防水結(jié)構(gòu)。為了模擬這一效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了“eAir”（圓形面板上的金色條帶），這是一種新型的壓力傳感器，其具有高精度和可靠性。
Tee副教授解釋說：“這種傳感器類似于微型的‘容量計(jì)’，可以檢測(cè)到微小的壓力變化，其靈敏度類似于荷葉對(duì)極其輕柔的水滴接觸的靈敏度。”
“eAir”壓力傳感器采用創(chuàng)新的“空氣彈簧”設(shè)計(jì)，其具有一個(gè)空氣捕獲層，在與傳感器上的液體接觸時(shí)可以形成氣液界面。隨著外部壓力的增加，這一空氣層會(huì)被壓縮。此外，通過對(duì)傳感器表面進(jìn)行處理，該研究實(shí)現(xiàn)了傳感器內(nèi)部界面之間的無摩擦運(yùn)動(dòng)，從而觸發(fā)了可以準(zhǔn)確反映所施加壓力的電信號(hào)變化。利用這種設(shè)計(jì)，荷葉的天然防水能力被重新設(shè)想為一種簡(jiǎn)單而精妙的壓力傳感工具。此外，這種“eAir”壓力傳感器可以被制作得相對(duì)較小，只有幾毫米大小，這與現(xiàn)有的壓力傳感器的尺寸相當(dāng)。
Benjamin Tee副教授（最左）及其團(tuán)隊(duì)采用一種“空氣彈簧”設(shè)計(jì)制作了一種名為“eAir”的簡(jiǎn)單而精妙的壓力傳感工具，其可以重現(xiàn)荷葉的天然防水能力
促進(jìn)微創(chuàng)手術(shù)的顛覆性變革
這項(xiàng)新技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用非常廣泛。例如，在腹腔鏡手術(shù)中，精確的觸覺反饋是必不可少的，而借助“eAir”壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)更安全的手術(shù)過程，從而最終改善患者的康復(fù)和預(yù)后。
“用抓取器做手術(shù)有其獨(dú)特的挑戰(zhàn)。精確的控制和對(duì)施加的力的準(zhǔn)確感知是至關(guān)重要的，但傳統(tǒng)的工具有時(shí)會(huì)難以滿足以上訴求，這使得外科醫(yī)生嚴(yán)重依賴經(jīng)驗(yàn)，甚至直覺。然而，柔性且易于集成的‘eAir’壓力傳感器的引入有望帶來變革。”Benjamin Tee副教授說。
“當(dāng)外科醫(yī)生進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，如腹腔鏡手術(shù)或機(jī)器人手術(shù)時(shí)，其可以控制抓取器的顎板，但無法感知到末端執(zhí)行器正在抓取什么。因此，外科醫(yī)生必須依靠其視覺和多年的經(jīng)驗(yàn)來判斷人體觸覺可以提供的關(guān)鍵信息。”新加坡國(guó)立大學(xué)醫(yī)院（National University Hospital）、黃庭芳總醫(yī)院（Ng Teng Fong General Hospital）及新加坡國(guó)立大學(xué)永祿林醫(yī)學(xué)院（NUS Yong Loo Lin School of Medicine）普外科顧問Kaan Hung Leng博士解釋說。
Kaan博士沒有參與這項(xiàng)研究項(xiàng)目，他詳細(xì)闡述說：“智能壓力傳感器提供的觸覺或觸覺反饋有可能徹底變革微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域。例如，關(guān)于被抓組織的堅(jiān)硬程度的信息，為外科醫(yī)生在手術(shù)過程中做出謹(jǐn)慎的決定提供了額外和重要的信息來源。最終，這些術(shù)中的有利之處有可能轉(zhuǎn)化為手術(shù)和患者預(yù)后的改善。”
此外，“eAir”提供了一個(gè)改善顱內(nèi)壓（影響大腦健康的顱骨內(nèi)壓力）監(jiān)測(cè)過程的機(jī)會(huì)。同時(shí)，通過提供一種微創(chuàng)解決方案，這項(xiàng)技術(shù)可以改變患者對(duì)從嚴(yán)重的頭痛到潛在的腦損傷在內(nèi)的大腦相關(guān)疾病的治療體驗(yàn)。
開啟智能傳感的未來
目前，這一研究團(tuán)隊(duì)正在為與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵參與者的合作奠定基礎(chǔ)。與此同時(shí)，他們已經(jīng)在新加坡為“eAir”壓力傳感器技術(shù)申請(qǐng)了專利，以推進(jìn)將該技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化和實(shí)際應(yīng)用。
“我們希望進(jìn)一步完善‘eAir’壓力傳感器，通過探索各種新材料和微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高其性能。”Tee副教授分享道。該團(tuán)隊(duì)的下一步設(shè)想是利用“eAir”技術(shù)編織可以應(yīng)用于各種液體環(huán)境的掛毯。
《機(jī)器人傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
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《即時(shí)診斷應(yīng)用的生物傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
