中科院深圳先進(jìn)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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心研究員王磊團(tuán)隊(duì)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(shí)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(cè)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(jì)了用于微創(chuàng)手術(shù)的一維遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的力覺檢測(cè)。研究中，科研人員基于雙光柵元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)柔性件進(jìn)行了基于物理模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。采用有限元法對(duì)柔性件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，在理論基礎(chǔ)上驗(yàn)證了該柔性件的可行性。為了進(jìn)一步提高傳感器的性能，并基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，該網(wǎng)絡(luò)模型可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)力與波長(zhǎng)偏移量的關(guān)系。

研究還進(jìn)行了溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雙光柵元件能夠有效地進(jìn)行溫度解耦方案。實(shí)驗(yàn)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(duì)誤差小于滿量程的2%，溫度補(bǔ)償后的誤差0.8 mN?？蒲腥藛T進(jìn)一步對(duì)豬肝器官進(jìn)行組織觸診實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提傳感器設(shè)計(jì)在微創(chuàng)手術(shù)中的有效性和適用性。

研究實(shí)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(cè)，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(jī)器人的觸覺信息檢測(cè)提供了有效技術(shù)路線，有望推動(dòng)手術(shù)機(jī)器人在介入式醫(yī)療中的手術(shù)路徑導(dǎo)航和機(jī)器控制中的應(yīng)用。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃等的資助。

一種光電容積脈搏波測(cè)量方式有望實(shí)現(xiàn)指夾式血壓測(cè)量技術(shù)

來自美國(guó)密蘇里大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過光電容積脈搏波傳感器測(cè)量脈搏波速度實(shí)現(xiàn)了對(duì)血壓的測(cè)量，有望為開發(fā)一種新型的指夾式血壓測(cè)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?cè)O(shè)計(jì)了一種基于2個(gè)光電容積脈搏波（PPG）傳感器開發(fā)的血壓測(cè)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(shí)間差用于計(jì)算PWV，一旦收集到PWV的數(shù)據(jù)，信息就會(huì)自動(dòng)無線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，以通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行信號(hào)處理和血壓計(jì)算。

這項(xiàng)研究通過非侵入性血壓測(cè)量設(shè)備取得了較為理想的測(cè)量血壓的準(zhǔn)確率，并同時(shí)可以測(cè)量心率、血氧飽和度、體溫和呼吸頻率等生命體征。該項(xiàng)研究仍需要更大樣本量的數(shù)據(jù)驗(yàn)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(cè)便攜設(shè)備提供了一定的設(shè)計(jì)構(gòu)想和理論基礎(chǔ)。

上?？蒲袌F(tuán)隊(duì)研發(fā)自主智能注射機(jī)器人

2022年1月17日，同濟(jì)大學(xué)齊鵬團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一款自主智能無針疫苗注射機(jī)器人，并將其命名為“后羿”。該項(xiàng)目基于領(lǐng)先的人體三維模型識(shí)別算法及自適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)，結(jié)合機(jī)電一體化無針注射器設(shè)計(jì)，是國(guó)內(nèi)首款自主智能無針疫苗注射機(jī)器人完整技術(shù)驗(yàn)證方案。

“后羿”是一臺(tái)機(jī)器人手臂，有多個(gè)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(shí)別被接種者的身體，自由旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的角度，從而找到最適合的接種部位。

“后羿”通過一個(gè)簡(jiǎn)單的三維點(diǎn)云相機(jī)對(duì)人體進(jìn)行拍攝，無論是站姿還是坐姿均可清晰地識(shí)別，機(jī)器人“大腦”經(jīng)過算法識(shí)別后，即可快速自動(dòng)擬合人體對(duì)應(yīng)部位（如肩肘部位）的三維模型，準(zhǔn)確識(shí)別注射部位及角度?！昂篝唷边€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(jī)器人由同濟(jì)大學(xué)齊鵬團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，聯(lián)合上海非夕機(jī)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(guó)心血管醫(yī)生創(chuàng)新俱樂部（CCI）共同開發(fā)完成。

我國(guó)科學(xué)家發(fā)明透明可折疊薄膜

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)特任副研究員管慶方等通過對(duì)傳統(tǒng)宣紙的詳細(xì)結(jié)構(gòu)表征研究，探究了其高強(qiáng)度、高韌性的微觀機(jī)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(duì)卷”工藝可連續(xù)化生產(chǎn)?；谠摫∧ぶ谱鞯慕鼒?chǎng)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(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)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(jìn)展

華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授蘭亞乾團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員徐剛團(tuán)隊(duì)在化學(xué)電阻型氣體傳感應(yīng)用研究中取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)室溫下對(duì)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(guó)應(yīng)用化學(xué)》。

該項(xiàng)研究報(bào)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(jì)的卟啉環(huán)可作為其表面可修飾的位置進(jìn)行后金屬化，有效地實(shí)現(xiàn)傳感性能的改善。金屬化的Co-TPCOF對(duì)NO2表現(xiàn)出高度的特異性，是已報(bào)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(cè)限以及快速的響應(yīng)速度。

此外，通過密度泛函（DFT）計(jì)算以及原位紅外表征對(duì)傳感機(jī)理進(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)室溫下對(duì)NO2的高靈敏度和特異性傳感。該項(xiàng)研究將為設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)研發(fā)出智能T恤可監(jiān)測(cè)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(jì)了一種新的智能T恤，可以監(jiān)測(cè)穿著者的呼吸，這項(xiàng)研究將可能在醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的智能襯衫涉及一個(gè)嵌入布中的、薄的螺旋狀天線網(wǎng)絡(luò)，具有藍(lán)牙功能。當(dāng)穿著者呼吸時(shí)，天線會(huì)輕微變形，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到這些變形，并將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)揭粋€(gè)基站進(jìn)行分析。通過這種方式，穿著者的呼吸模式可以被測(cè)量和監(jiān)測(cè)。

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

下一步是將研究結(jié)果與其他方法進(jìn)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(cè)睡眠呼吸暫停，還能夠檢測(cè)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可以識(shí)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(jià)值。通過這種方法可以實(shí)時(shí)、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(tái)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(jì)與目前用于肝臟活檢的穿刺針兼容。”來自?shī)W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(cuò)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(cè)量，以評(píng)估與細(xì)胞代謝相關(guān)的標(biāo)記物，從而區(qū)分健康細(xì)胞和癌細(xì)胞。