微創手術（Minimally invasive surgery）因其創傷小、疼痛輕、恢復快等特點而備受關注。然而，目前大多數微創手術機器人都缺乏力感知（force sense）的能力，從而存在較高的手術風險。準確的力傳感單元、快速的信號處理和有效的操作主控器是有前途微創手術的力傳感系統的重要組成部分。因此，高性能力傳感器的構建是解決微創手術機器人力傳感不足的關鍵因素。

據麥姆斯咨詢報道，近日，蘇州大學的科研團隊在Advanced Sensor Research期刊發表了以“Force Sensing and Feedback System Based on Novel Triaxial Force Capacitive Sensor for Minimally Invasive Surgical Robot”為主題的論文。該論文第一作者為蘇州大學機電工程學院Lu Zhang；通訊作者為王鳳霞研究員和劉會聰教授，王鳳霞研究員主要從事機器人智能感知系統、人-機交互界面和柔性傳感系統方面的研究工作，劉會聰教授主要從事微納感知、柔性傳感、機器人智能安全交互以及可穿戴人機交互方面的研究工作。

這項研究工作提出了一種基于新型柔性三軸力電容式傳感器的微創手術力傳感與反饋系統，用于檢測微創手術機器人的抓握力。該研究通過將柔性三軸力電容式傳感器集成到微創手術機器人的末端執行器中，從而實現微創手術的力傳感系統。該系統通過對仿生組織執行抓握、觸碰等動作，來檢測三軸力的大小以及抓握或觸碰動作的實時位置。

該微創手術機器人主要由柔性三軸力電容式傳感器、信號采集電路、顯示界面和操作主控手組成，如圖1所示。柔性三軸力電容式傳感器主要用于檢測抓握或觸碰組織時的力，以抓握器和接觸桿為實驗對象。在數據處理部分，結合采集數據與設定參數，采用函數擬合的方法直接輸出力值。再與顯示器相連接，三軸力可通過串行通信上傳到PC端實現實時顯示。最后，傳感的力值可以提供給操作系統，以輔助操作并提高操作感知。

圖1 微創手術力傳感系統

該研究工作采用柔性三軸力電容式傳感器作為微創手術的力傳感單元。典型的三軸力電容式傳感器主要由四個傳感器陣列組成。當在每個方向上對傳感器施加三軸力時，四個傳感器單元將根據對不同方向的力的不同電容值來識別和檢測三軸力。該研究提出的新型柔性電容式壓力傳感器結構，解決了高靈敏度與寬壓力檢測范圍之間的權衡問題：通過插入微結構電極來提高靈敏度，并通過正交使用微結構來增加壓力檢測范圍。該器件制造工藝方案如圖2所示。

圖2 柔性三軸力電容式傳感器的制造工藝

該傳感器主要由凸塊、三角錐狀聚二甲基硅氧烷（PDMS）微結構、磁控濺射三角錐狀微結構電極、帶有三角錐狀PDMS微結構的印刷電極以及柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底組成。

該柔性三軸力電容式傳感器由四個傳感器單元構成。由于傳感器單元是影響三軸力電容式傳感器性能的關鍵因素，因此研究人員首先對每個傳感器單元進行了研究，隨后對柔性三軸力電容式傳感器的性能進行了研究，結果如圖3所示。結果表明，該柔性三軸力電容式傳感器具有良好的動態穩定性、微弱壓力的傳感能力和出色的柔性。該傳感器所具有的良好動態響應和優異穩定性，顯示出其在微創手術中的廣闊應用前景。圖4為該柔性三軸力電容式傳感器的結構和性能示意圖。

圖3 柔性三軸力電容式傳感器的性能

圖4 柔性三軸力傳感器的結構和性能示意圖：（a）柔性三軸力電容式傳感器的結構；（b）信號采集電路；（c-e）傳感器的三軸力校準

為探究在微創手術過程中該三軸力傳感器如何檢測觸碰組織的力，將三軸力傳感器集成到微創機器人末端執行器的抓握器和接觸桿中。實驗結果驗證了該三軸力傳感器在抓握仿生組織時可實時檢測三軸力的大小，為在微創手術中的實際操作提供了可能。

圖5 抓握仿生組織的實時三軸力

憑借其優異的柔性，該三軸力傳感器可以被集成到彎曲的接觸桿中，以檢測觸碰模擬仿生組織時的接觸力。這些動作可以模擬微創手術中接觸桿在觸碰仿生組織表面時的三軸力大小，結果如圖6所示。

圖6 觸碰仿生組織的實時三軸力

綜上所述，這項研究提出了基于新型柔性三軸力電容式傳感器的微創手術機器人的力傳感與反饋系統。該電容式力傳感器主要由三角錐狀微結構電極和正交三角錐狀微結構絕緣層組成，解決了高靈敏度與寬檢測范圍之間的權衡問題，法向力的檢測范圍為0-3 N，靈敏度高達69.19% N?1。將三軸力電容式傳感器集成到微創手術機器人的末端執行器中，從而實現微創手術的力傳感系統。該系統可以在顯示界面實時顯示抓握或觸碰動作的位置以及三軸力的大小。更重要在于，傳感的力值可以進一步控制夾具的運動，從而實現該新型力傳感與反饋系統。該基于柔性三軸力電容式傳感器的新型微創手術的力傳感系統為其在微創手術中的應用奠定了基礎。

審核編輯：劉清