隨著微創(chuàng)精密手術和手術機器人的不斷發(fā)展，病人康復質量顯著提高。然而，微創(chuàng)手術中的觸覺缺失或觸覺失真導致微創(chuàng)手術存在偶發(fā)性器官破壞風險。準確獲取組織器官的觸覺信息不僅能夠降低微創(chuàng)手術風險，還能夠顯著提升微創(chuàng)手術完成復雜手術的能力。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)手術的迫切需求。
鑒于此，浙江大學光電科學與工程學院張磊、童利民教授團隊結合微納光纖觸覺傳感器的技術優(yōu)勢，提出了一種可用于微創(chuàng)手術中組織硬度區(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，利用石英毛細管、特氟龍管和PDMS對微納光纖進行緊湊型封裝。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，還能高保真地將外界刺激傳導給微納光纖，使微納光纖的輸出光強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0.108 mN–1，壓力分辨率為0.031 mN，時間分辨率高達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633 nm 波長激光的U形微納光纖的顯微鏡照片；c）傳感器實物照片。
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)手術器械集成或配合使用的前景。在掃描模式下工作時，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），這對于微創(chuàng)手術時探測器官內(nèi)部的腫塊和血管位置至關重要。
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。實驗發(fā)現(xiàn)，對應于不同硬度組織的信號峰形有顯著差異，硬度較大的組織對應于光強信號的快速下降。由于該傳感器的響應速度快，可以通光強信號的變化速度對組織硬度進行定性判斷（圖2a-c）。
圖2. a-c）掃描模式下識別PDMS樣品中的硬度異常；d）組織硬度區(qū)分的實驗裝置；d）傳感器對不同河蚌不同部位的硬度探測；f）傳感器對河蚌組織兩個典型軟硬部位的硬度探測信號響應。
這種基于微納光纖的緊湊型觸覺傳感器為組織觸診、手術機器人和物體識別中的硬度傳感提供了新的解決方案。
以上相關成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文的第一作者為浙江大學光電科學與工程學院博士生唐瑤，通訊作者為浙江大學張磊教授與童利民教授。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c20392
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