面向软体手术机器人欠驱动问题的高精度力觉感知关键技术研究

Soft robots have the technological advantage of performing minimally invasive surgery in complex cavities. However, the current challenge lies in the effective manipulation of the soft end. In the underactuated situation, the control precision problem can be improved through adding feedback mechanism, but conventional sensors such as strain gauges cannot be used because of their low compliance and integration. This project will study 1) the sensing mechanism of polydimethylsiloxane microarrays combined with graphene nanomembrane, and 2) a high-fidelity mapping mechanism for the force information of driving end and soft end based on different environmental stiffness, 3) high precision soft force sensor fabrication with minimum sensing pressure ≤ 0.1Pa and sensitivity ≥ 15kPa-1. Sensing and precision control performance will be verified by cavity, blood vessels phantoms etc. The key scientific issues are 1) the microstructure design of the end force sensor of the soft surgical robot and 2) the bidirectional force mapping of the soft surgical robot in underactuated environment. The features and innovations are: 1) design and optimization of a double-layered interlaced microsphere arrays, and 2) bidirectional force feedback on driving end and soft end of the soft surgical robot. This project will promote the improvement of the theory and key technological breakthroughs of precision perception and manipulation of soft robots, and expand the soft robots in minimally invasive surgery.

软体机器人具有在复杂腔道内进行微创手术的技术优势，但目前的挑战在于对软体末端的有效操控。这种欠驱动环境下的操控问题可通过增加力反馈机制来改善，但应变计等传统传感器由于顺应性差和集成度低并不适用。本项目将研究1）聚二甲基硅氧烷(PDMS)微结构阵列与石墨烯纳米薄膜相结合的传感方法，2）基于不同环境刚度的驱动端与末端高保真力映射机制，在此基础上3）制备高精度柔性力传感器，最小感测压力≤0.1Pa，灵敏度≥15kPa-1，并通过腔道、血管等多个仿体进行验证。关键科学问题是1）软体手术机器人末端力传感器的微结构优化设计，2）软体手术机器人在欠驱动环境的双向力映射。特色及创新点在于：1）双层交错式球形微阵列的结构优化，2）软体手术机器人驱动端和末端的双向力反馈。本项目将对软体机器人精准感知与操控理论的完善和关键技术的突破起到促进作用，拓展软体机器人在微创手术中的应用。

软体机器人具有在复杂腔道内进行微创手术的技术优势，但目前的挑战在于对软体末端的有效操控。这种欠驱动环境下的操控问题可通过增加力反馈机制来改善，但应变计等传统传感器由于顺应性差和集成度低并不适用。本项目面向软体手术机器人欠驱动问题和力觉感知的欠缺，主要研究了基于微结构优化设计的高精度高灵敏度传感机制和柔性力位感知阵列；针对欠驱动系统力反馈理论分析和仿真建模等；利用PDMS、Ecoflex等柔性聚合材料和光刻等MEMS微加工工艺，开发基于微球阵列的高精度高灵敏柔性应变和压力阵列传感器，并且改善了传感器迟滞性等性能，最小感测压力≤0.1Pa，力感知范围0.1Pa-10kPa，灵敏度≥15kPa-1。力位传感器阵列被安装在介入手术机器人导管上，通过有效力觉信息感知和反馈实验验证，发现了轴向平移过程中血管刚度对间隙的影响和轴向旋转过程中容器刚度对侧隙的影响。项目成果柔性传感器可用于软体机器人形变、压力及其分布感知、人体运动监测、人体生理参数监测、人机交互等方面。项目执行期间，在高水平学术期刊和会议上发表了多篇论文和多次口头报告，其中SCI论文10篇，会议论文2篇，并获得2021 IEEE NEMS 最佳学生论文提名奖，申请发明专利9项，其中授权6项。相关研究成果得到了国家自然科学金官网、美国科学促进会官网、Nature微信公众号、中科院官网等科研学术平台的多次报道。