中國研究人員開發出一款米粒大小的光學感測器，可賦予手術機器人和醫療工具觸覺感應能力。該裝置利用光線而非電子元件，測量每個方向的力、壓力及扭轉。感測器尺寸僅 1.7 毫米。研究人員表示，它有助機器人在精細手術中偵測不安全接觸並即時回應。團隊亦示範該裝置能辨識軟性物料下的隱藏結構，包括嵌入組織模型的腫瘤狀物體。此研究來自上海交通大學的研究人員。
光線取代電子元件
現時機器人手術系統高度依賴成像技術。然而，它們難以在狹窄手術空間感測物理互動。現有力感測器對許多微型工具而言仍過於龐大。「雖然現代成像系統能清楚顯示結構，但無法提供物理互動資訊，例如力或扭矩，而現有感測器往往過於笨重或複雜，難以融入微型工具，」中國上海交通大學研究團隊領袖楊建龍表示。「透過讓機器測量接觸力、壓力、剪切力和扭轉，我們的技術可讓機器人及早偵測不安全接觸，並在即時調整動作，尤其適用於小型及敏感環境。
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研究人員以光纖為基礎設計感測器，末端配以軟性彈性體。當末端觸碰物體時，會輕微變形。此微小移動改變感測器內光線擴散方式。相干光纖束隨後將光圖案傳至相機。系統利用數據驅動方法分析捕捉影像，計算所有方向的力和扭矩。研究人員指，此設計避免傳統微型感測器的佈線複雜性。「我們的感測器與傳統微型力感測器不同，例如依賴多個感測元件及精心設計結構來分離不同力分量的光纖布拉格光柵（FBG）系統，」楊建龍說。
「我們並非逐件測量力，而是單步感測整體接觸狀態。我們相信此轉變可更容易打造能視覺及觸覺兼備的緊湊工具。」
團隊在受控負載條件下測試裝置，使用已知力和扭轉動作。感測器提供可重複測量，低遲滯性，即在負載及卸載循環中讀數保持一致。研究人員亦在含硬質球形物體的明膠模型中測試，模擬隱藏於組織下的腫瘤。感測器成功偵測並定位嵌入結構。團隊相信，此技術可提升微創手術的觸覺導引。
使用機器人系統的外科醫生常經狹窄通道作業，意外接觸可能損壞精細組織。「微創手術的機器人系統在極度狹窄空間運作，例如眼內或狹窄手術通道，」楊建龍說。「透過令工具及機器人更安全精準，此技術可使精細醫療程序更可控，降低意外損壞風險。」
研究人員現計劃改善製造一致性並減少校準需求，以準備商業部署。他們亦旨在將感測器整合至醫療及工業機器人系統，進行真實操作條件下的長期測試。
團隊表示，後續工作將聚焦將技術封裝成緊湊系統，讓臨床醫生及工程師易於實際環境部署。此研究刊登於《Optica》期刊。