浙江大学张磊、童利民教授团队《ACS AMI》：用于感知组织硬度的微纳光纤触觉传感器

随着微创精密手术和手术机器人的不断发展，患者的康复质量显著提高。然而，微创手术中的触觉缺失或触觉失真导致微创手术偶尔损伤器官的风险。准确获取组织器官的触觉信息不仅可以降低微创手术的风险，而且可以显著提高微创手术完成复杂手术的能力。高灵敏度、小尺寸、抗电磁干扰的触觉传感器已成为微创手术的迫切需要。

鉴于此，浙江大学光电科学与工程学院张磊、童利民教授团队结合微纳光纤触觉传感器的技术优势，提出了一种可用于微创手术中组织硬度区分的新型触觉传感器。如图1a该装置以U形微纳光纤为传感单元，采用石英毛细管、特氟龙管和PDMS紧凑包装微纳光纤。由于PDMS的折射率(~1.40)略低于二氧化硅(~1.46)，数百微米厚PDMS层不仅能有效约束微纳光纤周围的转瞬即逝场，还能高保真地将外界刺激传递给微纳光纤，使微纳光纤的输出光强随外界压力的变化而变化。该装置使用的微纳光纤直径约为1μm(图1b)，只有头发的几十分之一，压力感知灵敏度高达0.108 mN–1.压力分辨率为0.031 mN，时间分辨率高达500Hz。

图1.a)基于微纳光纤的紧凑型触觉传感器示意图；b)传导633 nm U形微纳光纤波长激光显微镜照片；c)传感器实物照片。

在轻触模式下，传感器可以区分邵氏A的硬度差为4°的PDMS样品的硬度分辨能力甚至超过了人类的手。传感器的外径约为1.5mm(图1c)，可根据需要定制长度，具有与微创手术器械集成或配合使用的前景。在扫描模式下工作时，传感器可以区分隐藏在哪里PDMS样品内部硬度异常(图2a-c)，这对于在微创手术的肿块和血管位置非常重要。

作者以猪肝和蛤蜊为样品，通过控制传感器以相同的速度触摸样品，显示了传感器有效区分组织硬度的能力。实验发现，不同硬度组织的信号峰值差异明显，硬度较大的组织对应于光强度信号的快速下降。由于传感器响应速度快，可以定性判断组织硬度（图2a-c)。

图2. a-c)在扫描模式下识别PDMS样品硬度异常；d)区分组织硬度的实验装置；d)传感器检测不同贻贝不同部位的硬度；f)传感器响应蚌组织两个典型软硬部位的硬度探测信号。

这种基于微纳光纤的紧凑型触觉传感器为组织触诊、手术机器人和物体识别提供了新的解决方案。

上述相关相关成果ACS Applied Materials & Interfaces上面。论文第一作者为浙江大学光电科学与工程学院博士生唐瑶，通讯作者为浙江大学张磊教授、童立民教授。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c20392