港中大、NUS洪亮教授与NUS欧阳建勇教授《ACS AMI》: 可拉伸应变传感器让医疗器械有了类似皮肤般的“知觉”

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可拉伸应变传感器可以将复杂的力学形变转换为电信号，在可穿戴电子器件、人机界面以及机器人等领域具有十分重要的应用。尤其在医疗器械领域，应力传感器不仅可以提高诊疗效率，还能增强智能识别和精确驱动。目前，在微创手术等过程中，医生只能借助视觉感知，手动操作或机器人辅助操控细长关节式或柔性器械，很难感知手术器械整体的精确位姿，因此精确感知医疗器械的位置和方向存在很大的挑战。通过在器械上安装应力应变传感器可以克服以上难题，目前最常用的传感器是微机电系统（MEMS）等小型传感器，这类传感器只能承受小尺度的拉伸应变（<5%），而且在有限的空间，沿着多个关节布放组装多个如此复杂的传感器难度较大，也容易影响器械的操作灵活性。 
图1. 银纳米线/水凝胶复合（AGel）应变传感器的构建（a）及其在医疗器械本体感应驱动等方面的应用（b）。   为解决以上难题，香港中文大学电子工程系、新加坡国立大学生物医学工程系任洪亮教授与新加坡国立大学材料工程系欧阳建勇教授合作，构建了高灵敏、可拉伸的银纳米线/水凝胶复合（AGel）应变传感器，可以紧密贴合在器械的弯曲表面，实时监测器械的运动位置和方向，实现医疗器械的自感知精确驱动，让医疗器械有了类似皮肤般的拉伸应变“知觉”。
首先，他们构筑了银纳米线/水凝胶双层复合薄膜，利用热退火等方法调控水凝胶表面褶皱以及银纳米线导电网络的融合链接，在不同的拉伸应变范围内（0~200%），可以调节传感器灵敏度（gauge factor 18~70），获得了灵敏度可调节的可拉伸应变传感器（AGel应变传感器）（图1a）。而且传感器对2%以下拉伸应变和法向按压等形变不敏感，因此传感器贴合在器械表面，不会受到基底弯曲弧度和周围环境触碰的影响，稳定性较高。
研究人员将AGel应变传感器应用于一些手术器械上。经口手术机械臂是辅助口腔咽部手术的装置，AGel应变传感器直接贴敷在机械悬臂表面，可以灵敏检测悬臂的弯曲程度，控制悬臂的运动位置（图2a, b, c）。类似的，他们还利用AGel应变传感器对弯曲的检测性能，监控软体机器人驱动的过程。除了监控弯曲角度，AGel应变传感器还可以用于检测气管造口术中气囊膨胀收缩引起的表面应变情况，从而分析气囊内的压力变化（图2d, e, f）。 
图2. 基于AGel应变传感器电阻变化，用于检测经口手术机械臂的弯曲程度（a, b, c），以及气管造口术中气囊的膨胀收缩及其内部压力变化（d, e, f）。    另外，研究人员将AGel应变传感器用于手术钳的本体自感应驱动，实时感知手术钳的运动方向，实现器械的较精确操控（图3）。他们分别将八个AGel应变传感器对称的安置在手术钳近端（sensor 1,2, 3 和4）和远端的四个轴向（sensor W, X, Y, Z）（图3a, b），通过校对AGel应变传感器电阻变化与手术钳弯曲角度的关系，实现利用应变传感器分别实时感知手术钳远端和近端在四个方向上的运动方向和轨迹。继而，他们将这种自感应驱动功能的手术钳应用于口腔咽部切除扁桃体等精细手术操作（图3c）。 
图3.（a）手术钳远端和近端的构造；（b）AGel应变传感器在手术钳远端和近端的安装位置；（c）在口腔咽部精确切除扁桃体的手术中，基于AGel应变传感器的电性能变化，实时监测手术钳远端和近端的运动方向和轨迹。     这种可拉伸应变传感器可用于检测多关节式或柔性器械的多种复杂运动力学行为，以及本体自感应式的实时监测与驱动，实现辅助精确的器械操控。该成果以“Stretchable and Sensitive Silver Nanowire-Hydrogel Strain Sensors for Proprioceptive Actuation”为题发表在《ACS Appl. Mater. & Interfaces》（DOI: 10.1021/acsami.1c08305）。通讯作者是任洪亮教授和欧阳建勇教授，第一作者是Kirthika Senthil Kumar，第二作者张磊博士（现就职于浙江大学生物医学工程与仪器科学学院）协助完成相关工作。

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c08305

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