“超靈敏電子皮膚”為手術(shù)機器人練手感

手術(shù)機器人是現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用的重要里程碑，已經(jīng)獲得廣泛的臨床應(yīng)用。但與經(jīng)驗豐富的人類外科醫(yī)生相比，目前的手術(shù)機器人往往缺乏“手感”，難以通過觸覺的精確、實時反饋，對人體組織進(jìn)行低力度的精細(xì)化手術(shù)操作。

為解決這一問題，華中科技大學(xué)吳豪、尹周平團(tuán)隊研制了一款具有超高靈敏度的電子皮膚，它能夠檢測到切割不同生物組織時的微小接觸力差別，為手術(shù)機器人提供精密操作下的接觸力反饋。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR），魏丹陽為論文第一作者，吳豪、尹周平為共同通訊作者。

這種超靈敏電子皮膚采用電容式傳感原理，包括兩片柔性電極和一個具有仿生結(jié)構(gòu)的離子凝膠層——離子凝膠層模仿鵝腸菜花粉的多級微納結(jié)構(gòu)，使該電子皮膚具備了極高的靈敏度和較寬的測量范圍，能夠為手術(shù)機器人提供精細(xì)操作下的接觸力反饋。

具有仿生結(jié)構(gòu)的超靈敏電子皮膚。

（a）鵝腸菜花朵實物圖；（b）鵝腸菜花粉SEM圖；（c）花粉局部放大圖；（d）仿生結(jié)構(gòu)表面形貌；（e）仿生結(jié)構(gòu)SEM放大圖；（f）電子皮膚結(jié)構(gòu)圖（g）電子皮膚傳感原理圖。

離子凝膠層上的仿生微結(jié)構(gòu)不僅增加了與電極之間的接觸面積，而且增加了整體凝膠層的可壓縮性，使電子皮膚的靈敏度達(dá)到了9484.3 kPa-1（＜15 kPa）。在15-155kPa的范圍內(nèi)，靈敏度依然保持在235 kPa-1以上，并且顯示出優(yōu)秀的線性度。該傳感器實現(xiàn)了低至0.13 Pa的檢測限，可檢測出重量為0.35 mg的物體，在循環(huán)5000次后性能保持不變。

電子皮膚的檢測性能。

（a）0-155kPa范圍內(nèi)的靈敏度；（b）0-15kPa范圍內(nèi)的靈敏度；（c）電子皮膚對微小應(yīng)力（0.12Pa）的檢測能力；（d）對比其它研究的靈敏度；（e）電子皮膚響應(yīng)及恢復(fù)時間；（f）電子皮膚對連續(xù)水滴的檢測能力；（g）電子皮膚循環(huán)次數(shù)穩(wěn)定性。

在展示實驗中，在電子皮膚提供的觸覺反饋的輔助下，機器人可完成穿針引線的操作過程，并檢測出穿針成功與不成功時的不同觸覺信號。

如下圖所示，在第一次及第二嘗試穿針失敗時，線頭觸碰到針孔附近的電子皮膚而產(chǎn)生信號變化，而在第三次嘗試穿針成功時，線頭直接穿過針孔，未接觸附近的電子皮膚，所以基本沒有信號變化。該應(yīng)用有望為機器人提供靈敏的觸覺感知，實現(xiàn)精密裝配、抓取分揀等精細(xì)操作。