手术机器人是现代医疗设备应用的重要里程碑，已经获得广泛的临床应用。但与经验丰富的人类外科医生相比，目前的手术机器人往往缺乏“手感”，难以通过触觉的精确、实时反馈，对人体组织进行低力度的精细化手术操作。
为解决这一问题，我院吴豪、尹周平团队研制了一款具有超高灵敏度的电子皮肤，它能够检测到切割不同生物组织时的微小接触力差别，为手术机器人提供精密操作下的接触力反馈。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），魏丹阳为论文第一作者，吴豪、尹周平为共同通讯作者。
这种超灵敏电子皮肤采用电容式传感原理，包括两片柔性电极和一个具有仿生结构的离子凝胶层——离子凝胶层模仿鹅肠菜花粉的多级微纳结构，使该电子皮肤具备了极高的灵敏度和较宽的测量范围，能够为手术机器人提供精细操作下的接触力反馈。
具有仿生结构的超灵敏电子皮肤。（a）鹅肠菜花朵实物图；（b）鹅肠菜花粉SEM图；（c）花粉局部放大图；（d）仿生结构表面形貌；（e）仿生结构SEM放大图；（f）电子皮肤结构图 （g）电子皮肤传感原理图。
离子凝胶层上的仿生微结构不仅增加了与电极之间的接触面积，而且增加了整体凝胶层的可压缩性，使电子皮肤的灵敏度达到了9484.3 kPa-1（＜15 kPa）。在15-155 kPa的范围内，灵敏度依然保持在235 kPa-1以上，并且显示出优秀的线性度。该传感器实现了低至0.13 Pa的检测限，可检测出重量为0.35 mg的物体，在循环5000次后性能保持不变。
电子皮肤的检测性能。（a）0-155kPa范围内的灵敏度；（b）0-15kPa范围内的灵敏度；（c）电子皮肤对微小应力（0.12Pa）的检测能力；（d）对比其它研究的灵敏度；（e）电子皮肤响应及恢复时间；（f）电子皮肤对连续水滴的检测能力；（g）电子皮肤循环次数稳定性。
在展示实验中，在电子皮肤提供的触觉反馈的辅助下，机器人可完成穿针引线的操作过程，并检测出穿针成功与不成功时的不同触觉信号。
如下图所示，在第一次及第二尝试穿针失败时，线头触碰到针孔附近的电子皮肤而产生信号变化，而在第三次尝试穿针成功时，线头直接穿过针孔，未接触附近的电子皮肤，所以基本没有信号变化。该应用有望为机器人提供灵敏的触觉感知，实现精密装配、抓取分拣等精细操作。
三次穿针过程中的检测信号
在进一步的手术切割实验中，该电子皮肤能够感知手术刀切割不同组织的接触力区别。文中演示了电子皮肤测量切割肌肉和肝脏组织过程中的接触力变化。
如下图所示，在切割过程的不同时段，手术刀切割具有不同性质的不同生物组织，传感器也测量到不同的接触力。该接触力的变化能够有效地反映出切割点附近的生物组织状态，从而为医生提供手术切割位置参考，降低组织切面的粗糙度促进组织愈合速度。
机器人切割肌肉及肝脏组织时的传感器反馈
该电子皮肤具有超高的灵敏度，能够为手术机器人提供精细操作的触觉反馈，有望在神经科、泌尿科等需要精细操作的外科手术上应用。
论文信息：
Monitoring delicate operations of surgical robots by ultra-sensitive ionic electronic skin
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac227
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