導(dǎo)語
新加坡國立大學(xué)的研究人員借鑒大自然的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了“eAir”——一種空氣彈性傳感器，改變了檢測壓力的方式。
新加坡國立大學(xué)(NUS)的研究人員開發(fā)了一種新型的空氣彈性壓力傳感器，稱為“eAir”。這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)和植入式傳感器，直接解決與現(xiàn)有壓力傳感器相關(guān)的挑戰(zhàn)。
eAir傳感器有望在醫(yī)療應(yīng)用中提高精度和可靠性。它有可能通過為外科醫(yī)生提供觸覺反饋來改變腹腔鏡手術(shù)，從而更精確地操縱病人的組織。此外，該傳感器可以通過提供一種侵入性較小的監(jiān)測顱內(nèi)壓(ICP)的方法來改善患者的體驗(yàn)，顱內(nèi)壓是神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的關(guān)鍵健康指標(biāo)。
相關(guān)研究于近日發(fā)表在《Nature Materials》雜志上，題為“Frictionless multiphasic interface for near-ideal aero-elastic pressure sensing”。
1、從荷葉到實(shí)驗(yàn)室:利用大自然的設(shè)計
傳統(tǒng)的壓力傳感器在精度上經(jīng)常存在問題。它們難以提供一致的讀數(shù)，當(dāng)重復(fù)施加相同的壓力時，通常會返回不同的結(jié)果，并且可能忽略壓力的細(xì)微變化-所有這些都可能導(dǎo)致重大錯誤。它們通常由堅硬和機(jī)械上不靈活的材料制成。
為了解決壓力傳感方面的這些挑戰(zhàn)，新加坡國立大學(xué)的研究小組從一種被稱為“荷葉效應(yīng)”的現(xiàn)象中獲得了靈感。“荷葉效應(yīng)”是一種獨(dú)特的自然現(xiàn)象，水滴毫不費(fèi)力地從荷葉表面滾下，這是由于其微小的防水結(jié)構(gòu)而成為可能。為了模擬這種效應(yīng)，該團(tuán)隊設(shè)計了一種壓力傳感器，旨在顯著提高傳感性能。
eAir的概念和設(shè)計 | Wen Cheng et al.
Tee副教授解釋說:“這種傳感器類似于微型的‘容量計’，可以檢測到微小的壓力變化，就像荷葉對水滴極輕的觸摸的靈敏度一樣。”
采用創(chuàng)新的“空氣彈簧”設(shè)計，eAir傳感器容納了一個被困的空氣層，在與傳感器的液體接觸時形成氣液界面。隨著外部壓力的增加，這個空氣層被壓縮。表面處理導(dǎo)致傳感器內(nèi)部界面的無摩擦運(yùn)動，觸發(fā)電信號的變化，準(zhǔn)確反映施加的壓力。利用這種設(shè)計，荷葉的天然防水能力被重新設(shè)想為一種簡單而優(yōu)雅的壓力感應(yīng)工具。
微結(jié)構(gòu)界面潤濕特性對傳感性能的影響 | Wen Cheng et al.
eAir設(shè)備可以做得相對較小，只有幾毫米大小，這與現(xiàn)有的壓力傳感器相當(dāng)。
2、微創(chuàng)手術(shù)可能改變游戲規(guī)則
這項(xiàng)新技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用非常廣泛。例如，在腹腔鏡手術(shù)中，精確的觸覺反饋是必不可少的，結(jié)合eAir傳感器可以帶來更安全的手術(shù)過程，最終提高患者的康復(fù)和預(yù)后。
eAir在無線ICP監(jiān)測和腹腔鏡工具中的應(yīng)用 | Wen Cheng et al.
“用手做手術(shù)有其獨(dú)特的挑戰(zhàn)。精確的控制和對施加的力的準(zhǔn)確感知是至關(guān)重要的，但傳統(tǒng)的工具有時會有所不足，這使得外科醫(yī)生嚴(yán)重依賴經(jīng)驗(yàn)，甚至直覺。然而，柔軟且易于集成的eAir傳感器的引入可能會改變游戲規(guī)則，”同樣來自新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系的Tee副教授說。
“當(dāng)外科醫(yī)生進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，如腹腔鏡手術(shù)或機(jī)器人手術(shù)時，我們可以控制抓取器的顎，但我們無法感覺到末端執(zhí)行器正在抓取什么。因此，外科醫(yī)生必須依靠我們的視覺和多年的經(jīng)驗(yàn)來判斷我們的觸覺可以提供的關(guān)鍵信息，”國立大學(xué)醫(yī)院，黃庭芳總醫(yī)院和新加坡國立大學(xué)永祿林醫(yī)學(xué)院普通外科顧問Kaan Hung Leng博士解釋說。
Kaan博士沒有參與這項(xiàng)研究項(xiàng)目，他詳細(xì)闡述說:“智能壓力傳感器提供的觸覺或觸覺反饋有可能徹底改變微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域。例如，關(guān)于被抓組織是硬的、硬的還是軟的信息，為外科醫(yī)生在手術(shù)過程中做出謹(jǐn)慎的決定提供了額外和重要的信息來源。最終，這些術(shù)中益處有可能轉(zhuǎn)化為手術(shù)和患者預(yù)后的改善。”
此外，eAir提供了一個改進(jìn)監(jiān)測顱內(nèi)壓過程的機(jī)會，顱內(nèi)壓是指影響大腦健康的顱骨內(nèi)壓力。同樣，通過提供一種微創(chuàng)解決方案，這項(xiàng)技術(shù)可以改變患者對大腦相關(guān)疾病的治療體驗(yàn)，從嚴(yán)重的頭痛到潛在的腦損傷。
3、開啟智能傳感的未來
新加坡國立大學(xué)團(tuán)隊正在為與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要參與者合作奠定基礎(chǔ)。與此同時，他們已經(jīng)在新加坡為eAir傳感器技術(shù)申請了專利，旨在將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用。
"我們希望通過探索各種新材料和微結(jié)構(gòu)設(shè)計,進(jìn)一步改進(jìn)ESAR傳感器,以提高其性能,"Tee副教授分享道。
內(nèi)容來源
https://news.nus.edu.sg/nature-inspired-pressure-sensing-technology/?utm_source=Corpsite&utm_medium=Highlight
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01628-8
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