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  隨著微創精密手術和手術機器人的不斷發展，病人康復質量顯著提高。然而，微創手術中的觸覺缺失或觸覺失真導致微創手術存在偶發性器官破壞風險。準確獲取組織器官的觸覺信息不僅能夠降低微創手術風險，還能夠顯著提升微創手術完成復雜手術的能力。高靈敏、小尺寸、抗電磁干擾的觸覺傳感器已經成為微創手術的迫切需求。

  鑒于此，浙江大學光電科學與工程學院張磊、童利民教授團隊結合微納光纖觸覺傳感器的技術優勢，提出了一種可用于微創手術中組織硬度區分的新型觸覺傳感器。如圖1a所示，該器件以U形微納光纖為傳感單元，利用石英毛細管、特氟龍管和PDMS對微納光纖進行緊湊型封裝。由于PDMS的折射率（~1.40）略低于二氧化硅（~1.46），數百微米厚的PDMS層在有效約束微納光纖外圍倏逝場的同時，還能高保真地將外界刺激傳導給微納光纖，使微納光纖的輸出光強隨外界壓力的變化而變化。該器件所使用的微納光纖直徑約為1μm（圖1b），僅為頭發的幾十分之一，壓力感知靈敏度高達0.108 mN^–1，壓力分辨率為0.031 mN，時間分辨率高達500Hz。

圖1.a）基于微納光纖的緊湊型觸覺傳感器示意圖；b）傳導633 nm 波長激光的U形微納光纖的顯微鏡照片；c）傳感器實物照片。

  在輕觸模式下，該傳感器能分辨出邵氏A硬度差別為4°的PDMS樣品，其硬度分辨能力達到甚至超出了人類的雙手。該傳感器的外徑約為1.5mm（圖1c），長度可以根據需要定制，具有與微創手術器械集成或配合使用的前景。在掃描模式下工作時，該傳感器可以分辨出隱藏在PDMS樣品內部的硬度異常（圖2a-c），這對于微創手術時探測器官內部的腫塊和血管位置至關重要。

  作者以豬肝和河蚌為樣品，通過控制傳感器以相同的速度觸碰樣品，展示了該傳感器有效區分組織硬度的能力。實驗發現，對應于不同硬度組織的信號峰形有顯著差異，硬度較大的組織對應于光強信號的快速下降。由于該傳感器的響應速度快，可以通光強信號的變化速度對組織硬度進行定性判斷（圖2a-c）。

圖2. a-c）掃描模式下識別PDMS樣品中的硬度異常；d）組織硬度區分的實驗裝置；d）傳感器對不同河蚌不同部位的硬度探測；f）傳感器對河蚌組織兩個典型軟硬部位的硬度探測信號響應。

  這種基于微納光纖的緊湊型觸覺傳感器為組織觸診、手術機器人和物體識別中的硬度傳感提供了新的解決方案。

  以上相關成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文的第一作者為浙江大學光電科學與工程學院博士生唐瑤，通訊作者為浙江大學張磊教授與童利民教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c20392