受自然启发的压力传感技术旨在改变医疗保健和手术机器人

导读 新加坡国立大学(NUS)的研究人员开发了一种新型气动弹性压力传感器，称为eAir。该技术可直接解决与现有压力传感器相关的挑战，应用于微创手...

新加坡国立大学(NUS)的研究人员开发了一种新型气动弹性压力传感器，称为“eAir”。该技术可直接解决与现有压力传感器相关的挑战，应用于微创手术和植入式传感器。

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eAir 传感器有望提高医疗应用的精度和可靠性。它可以通过为外科医生提供触觉反馈来改变腹腔镜手术，从而可以更精确地操纵患者组织。此外，该传感器还可以通过提供侵入性较小的颅内压(ICP)监测手段来改善患者体验，颅内压是神经系统疾病患者的一项关键健康指标。

由新加坡国立大学设计与工程学院和新加坡国立大学健康创新与技术研究所的 Benjamin TEE 副教授领导的研究小组的研究结果最近于 2023 年 8 月 17 日发表在科学杂志《自然材料》上。

从荷叶到实验室：利用自然的设计

传统的压力传感器经常面临精度问题。它们很难提供一致的读数，当重复施加相同的压力时，通常会返回不同的结果，并且可能会忽略压力的细微变化——所有这些都可能导致重大错误。它们通常也由刚性且机械上不灵活的材料制成。

为了解决压力传感中的这些挑战，新加坡国立大学团队从一种被称为“荷叶效应”的现象中汲取灵感，这是一种独特的自然现象，水滴可以毫不费力地从叶子表面滚落，这是由其微小的防水结构实现的。为了模仿这种效应，该团队设计了一种压力传感器，旨在显着提高传感性能。

“这种传感器类似于微型‘容量计’，可以检测微小的压力变化，就像荷叶对水滴的极轻接触的敏感度一样，”Tee 副教授解释道。

eAir 传感器采用创新的“空气弹簧”设计，内部有一层空气，在与传感器液体接触时形成气液界面。随着外部压力的增加，该空气层会压缩。表面处理导致传感器内的界面进行无摩擦运动，从而触发电信号的变化，从而准确地反映所施加的压力。利用这种设计，荷叶的天然防水功能被重新构想为一种简单而优雅的压力传感工具。

eAir 设备可以做得相对较小(尺寸为几毫米)，这与现有的压力传感器相当。

微创手术潜在的改变游戏规则的进步

这项新技术的实际应用非常广泛。例如，在腹腔镜手术中，精确的触觉反馈是必不可少的，采用 eAir 传感器可以使手术过程更安全，最终改善患者的康复和预后。

“使用抓紧器进行手术面临着独特的挑战。对所施加的力的精确控制和准确感知至关重要，但传统工具有时可能存在不足，使得外科医生严重依赖经验甚至直觉。然而，柔软且易于集成的 eAir 传感器的引入可能会改变游戏规则。”同样来自新加坡国立大学材料科学与工程系的Tee 副教授说道。

“当外科医生进行腹腔镜或机器人手术等微创手术时，我们可以控制抓取器的钳口，但我们无法感觉到末端执行器正在抓取什么。因此，外科医生必须依靠我们的视觉和多年的经验来对我们的触觉可以提供的关键信息做出判断，”国立大学医院普通外科顾问 KAAN Hung Leng 博士解释道。 、黄廷方综合医院和新加坡国立大学杨潞龄医学院。

未参与该研究项目的卡恩博士阐述道：“智能压力传感器提供的触觉反馈有可能彻底改变微创手术领域。例如，有关被抓握的组织是硬、硬还是软的信息提供了额外且重要的信息源，以帮助外科医生在手术期间做出谨慎的决定。最终，这些术中益处有可能转化为改善手术和患者结果。”

此外，eAir 还提供了一个改善颅内压监测过程的机会——颅内压可以影响大脑健康。同样，通过提供微创解决方案，该技术可以改变患者在处理大脑相关疾病(从严重头痛到潜在脑损伤)方面的体验。

开启智能传感的未来

新加坡国立大学团队正在为与医疗领域主要参与者的合作奠定基础。同时，他们已在新加坡申请了 eAir 传感器技术专利，旨在将该技术转化为实际应用。

“我们希望通过探索各种新材料和微观结构设计来进一步改进 eAir 传感器，以提高其性能，”Tee 副教授说道。

该团队设想将 eAir 技术融入液体环境的各种应用中。

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