科研資訊

中科院深圳先進技術(shù)研究院開發(fā)出基于FBG傳感原理的觸覺傳感器

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊團隊在基于布拉格光柵光纖傳感原理在微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用——活體組織觸診的研究中實現(xiàn)了活體組織的精準(zhǔn)力信息反饋和腫塊信息的定位檢測功能。相關(guān)研究成果2021年12月17日發(fā)表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement上。

該研究設(shè)計了用于微創(chuàng)手術(shù)的一維遠端力傳感器。其中，傳感器結(jié)構(gòu)中嵌有雙光柵元件，可用于解耦傳感器在使用過程中受到的應(yīng)變和溫度交叉影響，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的力覺檢測。研究中，科研人員基于雙光柵元件結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，推導(dǎo)出相應(yīng)的柔性結(jié)構(gòu)理論模型。通過fmincon函數(shù)對柔性件進行了基于物理模型的優(yōu)化設(shè)計，確定了結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。采用有限元法對柔性件的靜態(tài)和動態(tài)特性進行分析，在理論基礎(chǔ)上驗證了該柔性件的可行性。為了進一步提高傳感器的性能，并基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進行標(biāo)定，該網(wǎng)絡(luò)模型可精準(zhǔn)預(yù)測力與波長偏移量的關(guān)系。

研究還進行了溫度補償實驗，驗證了雙光柵元件能夠有效地進行溫度解耦方案。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)BG傳感器能夠在1 N范圍內(nèi)感知力值，平均相對誤差小于滿量程的2%，溫度補償后的誤差0.8 mN。科研人員進一步對豬肝器官進行組織觸診實驗，驗證所提傳感器設(shè)計在微創(chuàng)手術(shù)中的有效性和適用性。

研究實現(xiàn)了組織觸診中器官腫塊信息的精準(zhǔn)力反饋和定位檢測，并提出了新型的溫度解耦方案和傳感器標(biāo)定方法，為微創(chuàng)手術(shù)中手術(shù)機器人的觸覺信息檢測提供了有效技術(shù)路線，有望推動手術(shù)機器人在介入式醫(yī)療中的手術(shù)路徑導(dǎo)航和機器控制中的應(yīng)用。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃等的資助。

一種光電容積脈搏波測量方式有望實現(xiàn)指夾式血壓測量技術(shù)

來自美國密蘇里大學(xué)的研究團隊通過光電容積脈搏波傳感器測量脈搏波速度實現(xiàn)了對血壓的測量，有望為開發(fā)一種新型的指夾式血壓測量工具提供理論基礎(chǔ)。2021年12月10日，相關(guān)研究成果以Toward Robust Blood Pressure Estimation from Pulse Wave Velocity Measured by Photoplethysmography Sensors為題，發(fā)表在IEEE Sensors Journal上。

科學(xué)家們設(shè)計了一種基于2個光電容積脈搏波（PPG）傳感器開發(fā)的血壓測量單元，從中可以得出血流的脈搏波速度（PWV），在兩次心跳之間收集的后續(xù)的 PPG 波形穩(wěn)定時間差用于計算PWV，一旦收集到PWV的數(shù)據(jù)，信息就會自動無線傳輸?shù)接嬎銠C中，以通過機器學(xué)習(xí)算法進行信號處理和血壓計算。

這項研究通過非侵入性血壓測量設(shè)備取得了較為理想的測量血壓的準(zhǔn)確率，并同時可以測量心率、血氧飽和度、體溫和呼吸頻率等生命體征。該項研究仍需要更大樣本量的數(shù)據(jù)驗證最終的準(zhǔn)確性，這為未來開發(fā)一種指夾式生命體征監(jiān)測便攜設(shè)備提供了一定的設(shè)計構(gòu)想和理論基礎(chǔ)。

上海科研團隊研發(fā)自主智能注射機器人

2022年1月17日，同濟大學(xué)齊鵬團隊發(fā)布了一款自主智能無針疫苗注射機器人，并將其命名為“后羿”。該項目基于領(lǐng)先的人體三維模型識別算法及自適應(yīng)機器人技術(shù)，結(jié)合機電一體化無針注射器設(shè)計，是國內(nèi)首款自主智能無針疫苗注射機器人完整技術(shù)驗證方案。

“后羿”是一臺機器人手臂，有多個彎頭，能靈活拿取藥品和調(diào)節(jié)角度，通過攝像頭傳感器識別被接種者的身體，自由旋轉(zhuǎn)機械臂的角度，從而找到最適合的接種部位。

“后羿”通過一個簡單的三維點云相機對人體進行拍攝，無論是站姿還是坐姿均可清晰地識別，機器人“大腦”經(jīng)過算法識別后，即可快速自動擬合人體對應(yīng)部位（如肩肘部位）的三維模型，準(zhǔn)確識別注射部位及角度。“后羿”還可根據(jù)定位，事先準(zhǔn)確地在注射位置用酒精棉球消毒。

這款智能無針疫苗注射機器人由同濟大學(xué)齊鵬團隊主導(dǎo)，聯(lián)合上海非夕機器人科技有限公司、北京快舒爾醫(yī)療技術(shù)有限公司和中國心血管醫(yī)生創(chuàng)新俱樂部（CCI）共同開發(fā)完成。

我國科學(xué)家發(fā)明透明可折疊薄膜

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊特任副研究員管慶方等通過對傳統(tǒng)宣紙的詳細結(jié)構(gòu)表征研究，探究了其高強度、高韌性的微觀機理，并且受宣紙制造工藝和結(jié)構(gòu)啟發(fā)，發(fā)明了一種具有多尺度結(jié)構(gòu)的高性能透明可折疊薄膜。相關(guān)成果2021年12月3日發(fā)表于ACS Materials Letters。

受宣紙啟發(fā)，研究人員通過將微米纖維素和纖維素納米纖維組裝成多尺度結(jié)構(gòu)，制備出高性能透明可折疊薄膜，通過“卷對卷”工藝可連續(xù)化生產(chǎn)。基于該薄膜制作的近場通信電路電子器件，兼具高透明度、高霧度和優(yōu)異的柔韌性，在彎曲時仍可準(zhǔn)確地記錄和讀取信息。

這種薄膜通過高密度的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，將應(yīng)力分散在更廣闊的多尺度三維網(wǎng)絡(luò)中，避免應(yīng)力集中，同時實現(xiàn)了高強度和高柔韌性，在完全折疊后沒有破壞性折痕，卷起后也可恢復(fù)原狀。該薄膜還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，與廣泛使用的不可持續(xù)的石油基塑料薄膜相比，在250 ℃下也沒有明顯的變化。這些出色的力學(xué)、熱力學(xué)與光學(xué)特性，使其成為精密光學(xué)器件和柔性電子器件領(lǐng)域的理想薄膜材料。

化學(xué)電阻型氣體傳感應(yīng)用研究獲重要進展

華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授蘭亞乾團隊聯(lián)合中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員徐剛團隊在化學(xué)電阻型氣體傳感應(yīng)用研究中取得重要進展，實現(xiàn)室溫下對NO2的高靈敏度和特異性傳感。相關(guān)研究2022年1月11日發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。

該項研究報道了一種基于非線性配體的COF 2D納米片材料。這種由非線性橋聯(lián)配體和卟啉組分組裝的COF材料大大降低了層間應(yīng)力，使超薄納米片的直接合成成為可能。預(yù)先設(shè)計的卟啉環(huán)可作為其表面可修飾的位置進行后金屬化，有效地實現(xiàn)傳感性能的改善。金屬化的Co-TPCOF對NO2表現(xiàn)出高度的特異性，是已報道的2D材料和COF材料中靈敏度最高的材料之一，具有6.8×10-9的超低檢測限以及快速的響應(yīng)速度。

此外，通過密度泛函（DFT）計算以及原位紅外表征對傳感機理進行了深入的研究，揭示了鈷卟啉中心的重要作用，提出其可能的NO2傳感作用機理。該工作克服了用于化學(xué)電阻氣體傳感的傳統(tǒng)2D材料的表面化學(xué)惰性，合成了一系列基于COF的后修飾的2D納米材料，有效地改善了材料的傳感性能，實現(xiàn)室溫下對NO2的高靈敏度和特異性傳感。該項研究將為設(shè)計更多具有豐富表面化學(xué)性質(zhì)的2D傳感材料提供新的途徑。

加拿大科研團隊研發(fā)出智能T恤可監(jiān)測穿著者的呼吸

加拿大魁北克市拉瓦爾大學(xué)研究人員設(shè)計了一種新的智能T恤，可以監(jiān)測穿著者的呼吸，這項研究將可能在醫(yī)療和運動等方面有廣泛的用途。該研究成果2021年12月28日發(fā)表在《IEEE傳感器雜志》上。

研究團隊設(shè)計的智能襯衫涉及一個嵌入布中的、薄的螺旋狀天線網(wǎng)絡(luò)，具有藍牙功能。當(dāng)穿著者呼吸時，天線會輕微變形，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測到這些變形，并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)揭粋€基站進行分析。通過這種方式，穿著者的呼吸模式可以被測量和監(jiān)測。

當(dāng)?shù)谝淮未┥蠒r，該襯衫首先完成對其傳感器的掃描，以確定最適合穿著者的獨特呼吸模式，從而挑選其6個傳感器中哪一個可以最準(zhǔn)確地監(jiān)測穿著者的呼吸。

下一步是將研究結(jié)果與其他方法進行比較，并在醫(yī)生的幫助下嘗試提取一些常見疾病的呼吸特征。研究人員介紹該智能T恤已經(jīng)能夠檢測睡眠呼吸暫停，還能夠檢測到呼吸振幅的明顯變化，以及吸氣和呼氣。

俄羅斯開發(fā)新型光學(xué)活檢探針

俄羅斯奧雷爾州立大學(xué)的研究團隊開發(fā)了一種可以識別肝癌的光學(xué)技術(shù)，有望用于穿刺活檢。

該方法作為光學(xué)活檢的一部分有其應(yīng)用價值。通過這種方法可以實時、原位確定癌組織的范圍，無需組織切片和分析。近年來，此類光學(xué)活檢平臺成為大量研究的主攻方向，并在肺癌和皮膚黑色素瘤診斷方面取得了突破。

“該方法的設(shè)計與目前用于肝臟活檢的穿刺針兼容。”來自奧雷爾州立大學(xué)的Evgenii Zherebtsov說，“因此，有朝一日，它可以幫助外科醫(yī)生更精確地導(dǎo)航活檢儀器，降低診斷組織樣本采集過程中出現(xiàn)的錯誤。”

該研究成果已發(fā)表于Biomedical Optics Express，據(jù)論文介紹，這種新的光學(xué)活檢系統(tǒng)結(jié)合了漫反射光譜和熒光壽命測量，以評估與細胞代謝相關(guān)的標(biāo)記物，從而區(qū)分健康細胞和癌細胞。