Китайские учёные из Шанхайского университета Цзяо Тун разработали миниатюрный оптический датчик, который может кардинально изменить хирургическую робототехнику. Устройство размером всего 1,7 миллиметра способно измерять силу, давление, сдвиг и кручение в любом направлении — и делает это с помощью света, а не электроники. Теперь роботы смогут «чувствовать» ткани, вовремя замечать опасный контакт и даже обнаруживать скрытые структуры под мягкими тканями.
«Современные системы визуализации отлично показывают анатомию, но они не дают информации о физическом взаимодействии — силе или моменте вращения. А существующие силовые датчики слишком громоздкие для миниатюрных инструментов», — объясняет руководитель исследования Цзяньлун Ян (Jianlong Yang) из Шанхайского университета Цзяо Тун.
Как работает «световой» сенсор
В основе устройства — оптическое волокно с мягким эластомерным наконечником. При касании наконечник слегка деформируется, и это мгновенно меняет характер распространения света внутри сенсора. Когерентный пучок волокон передаёт полученную световую картину на камеру, а специальный алгоритм по одному-единственному снимку рассчитывает все компоненты силы и крутящего момента.
В отличие от традиционных миниатюрных датчиков (например, на основе волоконных решёток Брэгга), новый сенсор не собирает данные по частям. Он «видит» общее состояние контакта за один шаг. Это сильно упрощает конструкцию и позволяет встраивать датчик в самые тонкие инструменты.
Поиск скрытых структур
Учёные протестировали сенсор на моделях тканей из желатина, внутри которых были спрятаны жёсткие шарики, имитирующие опухоли. Датчик успешно обнаруживал и точно определял местоположение этих «новообразований». Это открывает перспективу тактильной навигации при минимально инвазивных операциях — например, внутри глаза или через узкие хирургические каналы, где любое случайное касание может повредить нежные ткани.
Сейчас команда работает над повышением стабильности производства и снижением требований к калибровке. В дальнейшем сенсор планируют интегрировать в реальные медицинские и промышленные роботы для длительных испытаний в рабочих условиях.
Исследование опубликовано в журнале Optica.
