受大自然启发的压力传感技术：引领医疗和手术机器人变革
2023-10-15 19:00:04   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

新加坡国立大学的研究人员受大自然的启发，开发了一种名为“eAir”的空气弹性压力传感器，从而彻底颠覆了传统压力检测的方式。

Benjamin Tee副教授（中）、Cheng Wen博士（左）及Wang Xinyu女士（右）共同开发了一种名为“eAir”的新型空气弹性压力传感器（Benjamin Tee副教授手持面板上的金色条带）。这项技术有望提高压力传感器的精度和可靠性，并可应用于微创手术和植入式传感器。

据麦姆斯咨询报道，近期，新加坡国立大学（NUS）的研究人员开发了一种名为“eAir”的新型空气弹性压力传感器。这项技术可以应用于微创手术和植入式传感器，从而直接解决与现有压力传感器相关的挑战。

这种“eAir”压力传感器有望提高医疗实践中的传感精度和可靠性，有望通过为外科医生提供触觉反馈来变革腹腔镜手术，从而使得外科医生可以更精确地操纵患者的组织。此外，“eAir”压力传感器可以通过提供一种侵入性较小的颅内压（ICP，是神经系统疾病患者的关键健康指标）监测方法来改善患者的治疗体验。

这项研究由新加坡国立大学设计与工程学院（NUS College of Design and Engineering）和新加坡国立大学健康创新与技术研究所（NUS Institute for Health Innovation & Technology）的Benjamin Tee副教授牵头，其研究团队的研究成果于近期发表在Nature Materials期刊上。

从荷叶到实验室：汲取大自然的智慧

传统的压力传感器经常存在精度问题。首先，其读数缺乏一致性，当重复施加相同的压力时，它们通常会返回不同的结果，并且可能忽略压力的细微变化，所有这些都可能导致重大误差。其次，传统的压力传感器通常由刚性材料制作而成。

为了解决传统压力传感存在的上述挑战，来自新加坡国立大学的研究团队从一种被称为“荷叶效应”的现象中获得了灵感。“荷叶效应”是一种独特的自然现象，在这一现象中，水滴可以毫不费力地从荷叶表面滚下，这是由于荷叶上微小的防水结构。为了模拟这种效应，该团队设计了一种压力传感器，以显著提高其传感性能。

新加坡国立大学的科学家们从“荷叶效应”中获得了灵感。“荷叶效应”是一种独特的自然现象，在这一现象中，水滴可以毫不费力地从荷叶表面滚下，这是源于荷叶上微小的防水结构。为了模拟这一效应，研究团队设计了“eAir”（圆形面板上的金色条带），这是一种新型的压力传感器，其具有高精度和可靠性。

Tee副教授解释说：“这种传感器类似于微型的‘容量计’，可以检测到微小的压力变化，其灵敏度类似于荷叶对极其轻柔的水滴接触的灵敏度。”

“eAir”压力传感器采用创新的“空气弹簧”设计，其具有一个空气捕获层，在与传感器上的液体接触时可以形成气液界面。随着外部压力的增加，这一空气层会被压缩。此外，通过对传感器表面进行处理，该研究实现了传感器内部界面之间的无摩擦运动，从而触发了可以准确反映所施加压力的电信号变化。利用这种设计，荷叶的天然防水能力被重新设想为一种简单而精妙的压力传感工具。此外，这种“eAir”压力传感器可以被制作得相对较小，只有几毫米大小，这与现有的压力传感器的尺寸相当。

Benjamin Tee副教授（最左）及其团队采用一种“空气弹簧”设计制作了一种名为“eAir”的简单而精妙的压力传感工具，其可以重现荷叶的天然防水能力

促进微创手术的颠覆性变革

这项新技术在现实世界中的应用非常广泛。例如，在腹腔镜手术中，精确的触觉反馈是必不可少的，而借助“eAir”压力传感器可以实现更安全的手术过程，从而最终改善患者的康复和预后。

“用抓取器做手术有其独特的挑战。精确的控制和对施加的力的准确感知是至关重要的，但传统的工具有时会难以满足以上诉求，这使得外科医生严重依赖经验，甚至直觉。然而，柔性且易于集成的‘eAir’压力传感器的引入有望带来变革。”Benjamin Tee副教授说。

“当外科医生进行微创手术，如腹腔镜手术或机器人手术时，其可以控制抓取器的颚板，但无法感知到末端执行器正在抓取什么。因此，外科医生必须依靠其视觉和多年的经验来判断人体触觉可以提供的关键信息。”新加坡国立大学医院（National University Hospital）、黄庭芳总医院（Ng Teng Fong General Hospital）及新加坡国立大学永禄林医学院（NUS Yong Loo Lin School of Medicine）普外科顾问Kaan Hung Leng博士解释说。

Kaan博士没有参与这项研究项目，他详细阐述说：“智能压力传感器提供的触觉或触觉反馈有可能彻底变革微创手术领域。例如，关于被抓组织的坚硬程度的信息，为外科医生在手术过程中做出谨慎的决定提供了额外和重要的信息来源。最终，这些术中的有利之处有可能转化为手术和患者预后的改善。”

此外，“eAir”提供了一个改善颅内压（影响大脑健康的颅骨内压力）监测过程的机会。同时，通过提供一种微创解决方案，这项技术可以改变患者对从严重的头痛到潜在的脑损伤在内的大脑相关疾病的治疗体验。

开启智能传感的未来

目前，这一研究团队正在为与医学领域关键参与者的合作奠定基础。与此同时，他们已经在新加坡为“eAir”压力传感器技术申请了专利，以推进将该技术的成果转化和实际应用。

“我们希望进一步完善‘eAir’压力传感器，通过探索各种新材料和微结构设计来提高其性能。”Tee副教授分享道。该团队的下一步设想是利用“eAir”技术编织可以应用于各种液体环境的挂毯。

延伸阅读：

《机器人传感器技术及市场-2022版》

《触觉技术及市场-2022版》

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》