Китайские инженеры создали крошечный датчик для роботов, имитирующий чувство прикосновения.

Новости МирТесен

Китайские ученые разработали микроскопический оптический сенсор, сопоставимый по размеру с рисовым зерном, который позволит хирургическим роботам обладать способностью к осязанию в режиме реального времени. Устройство фиксирует силу, давление и скручивание во всех направлениях, используя свет вместо привычной электроники. Разработчики утверждают, что данная технология способна повысить безопасность и точность роботизированных операций, в особенности при проведении вмешательств в труднодоступных областях.

Данная разработка принадлежит специалистам из Университета Цзяотун в Шанхае. Размер сенсора – всего 1,7 миллиметра. По словам исследователей, такой датчик позволит роботам оперативнее определять потенциально опасный контакт с тканями в ходе сложных медицинских процедур и немедленно вносить коррективы в свои действия. Также устройство показало способность выявлять скрытые структуры под мягкими материалами, в том числе объекты, имитирующие опухоли, в тканевых моделях.

Современные роботизированные хирургические комплексы преимущественно используют визуализацию, но им свойственно отсутствие тактильной обратной связи при взаимодействии инструментов с тканями в труднодоступных областях. При этом имеющиеся датчики силы оказываются излишне громоздкими для интеграции в миниатюрные медицинские инструменты.

Цзяньлун Ян, возглавляющий исследовательскую группу, подчеркнул, что, несмотря на способность современных систем визуализации демонстрировать внутренние органы, они не дают данных о физическом взаимодействии, например, о силе или крутящем моменте. Он также добавил, что существующие датчики силы нередко бывают слишком большими или сложными для применения в небольших инструментах.

Новая технология базируется на использовании оптического волокна с гибким эластомерным наконечником. При соприкосновении наконечника с объектом происходит его незначительная деформация, что влияет на распространение света внутри сенсора. После этого когерентный волоконный пучок передает световой узор на камеру, где система анализирует полученное изображение с применением методов обработки данных и вычисляет величину силы и крутящего момента во всех направлениях.

По словам разработчиков, данная конструкция позволяет отказаться от громоздкой проводки, свойственной обычным миниатюрным датчикам. В отличие от распространенных систем, основанных на волоконных Брэгговских решеток, для которых требуется множество чувствительных элементов и сложные конструкции для разделения различных составляющих силы, новая разработка позволяет оценить общее состояние контакта в процессе одного измерения.

Исследователи утверждают, что предложенный метод может существенно облегчить разработку небольших приборов, способных воспринимать окружающую среду как визуально, так и тактильно. В ходе проверок устройство подвергалось воздействию заранее заданных нагрузок и вращательных движений. Сенсор показал стабильные и воспроизводимые результаты с минимальным гистерезисом, что означает сохранение точности показаний при изменении величины нагрузки.

Для проверки эффективности проводились дополнительные испытания на моделях из желатина, содержащих жесткие сферические объекты, служащие имитацией опухолей, расположенных в тканях. Разработанный сенсор демонстрировал способность обнаруживать и точно определять местоположение встроенных структур.

По мнению авторов исследования, данная технология способна значительно повысить качество тактильной обратной связи при проведении малоинвазивных хирургических вмешательств. В ходе таких операций робототехнические системы и инструменты функционируют через крайне узкие проходы, где нежелательный контакт может привести к повреждению деликатных тканей.

Ян Цзяньлун отметил, что роботизированные системы, применяемые в малоинвазивной хирургии, часто используются в труднодоступных областях, таких как внутреннее устройство глаза или узкие хирургические каналы. Он добавил, что улучшение точности и безопасности инструментов позволит более эффективно контролировать сложные медицинские вмешательства и уменьшить вероятность нежелательного повреждения тканей.

Далее, согласно исследователям, необходимо обеспечить стабильность производственного процесса сенсоров и уменьшить потребность в тщательной настройке перед началом использования в коммерческих целях. Кроме того, команда намерена включить устройство в медицинские и промышленные роботизированные комплексы для проведения длительных тестов в условиях реальной эксплуатации.

Специалисты также планируют разработать небольшие устройства, применение которых будет удобным для врачей и инженеров в реальных условиях.

Исследование в журнале Optica.