科研資訊

中科院深圳先進技術研究院開發出基于FBG傳感原理的觸覺傳感器

中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微創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手術的應用——活體組織觸診的研究中實現了活體組織的精準力信息反饋和腫塊信息的定位檢測功能。相關研究成果2021年12月17日發表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement上。

該研究設計了用于微創手術的一維遠端力傳感器。其中，傳感器結構中嵌有雙光柵元件，可用于解耦傳感器在使用過程中受到的應變和溫度交叉影響，實現更精準的力覺檢測。研究中，科研人員基于雙光柵元件結構設計出發，推導出相應的柔性結構理論模型。通過fmincon函數對柔性件進行了基于物理模型的優化設計，確定了結構的關鍵參數。采用有限元法對柔性件的靜態和動態特性進行分析，在理論基礎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，并基于前饋神經網絡對數據進行標定，該網絡模型可精準預測力與波長偏移量的關系。

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。實驗結果表明，FBG傳感器能夠在1 N范圍內感知力值，平均相對誤差小于滿量程的2%，溫度補償后的誤差0.8 mN?？蒲腥藛T進一步對豬肝器官進行組織觸診實驗，驗證所提傳感器設計在微創手術中的有效性和適用性。

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

研究工作得到國家自然科學基金、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指夾式血壓測量技術

來自美國密蘇里大學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了對血壓的測量，有望為開發一種新型的指夾式血壓測量工具提供理論基礎。2021年12月10日，相關研究成果以Toward Robust Blood Pressure Estimation from Pulse Wave Velocity Measured by Photoplethysmography Sensors為題，發表在IEEE Sensors Journal上。

科學家們設計了一種基于2個光電容積脈搏波（PPG）傳感器開發的血壓測量單元，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的 PPG 波形穩定時間差用于計算PWV，一旦收集到PWV的數據，信息就會自動無線傳輸到計算機中，以通過機器學習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備取得了較為理想的測量血壓的準確率，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據驗證最終的準確性，這為未來開發一種指夾式生命體征監測便攜設備提供了一定的設計構想和理論基礎。

上?？蒲袌F隊研發自主智能注射機器人

2022年1月17日，同濟大學齊鵬團隊發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”。該項目基于領先的人體三維模型識別算法及自適應機器人技術，結合機電一體化無針注射器設計，是國內首款自主智能無針疫苗注射機器人完整技術驗證方案。

“后羿”是一臺機器人手臂，有多個彎頭，能靈活拿取藥品和調節角度，通過攝像頭傳感器識別被接種者的身體，自由旋轉機械臂的角度，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”經過算法識別后，即可快速自動擬合人體對應部位（如肩肘部位）的三維模型，準確識別注射部位及角度?！昂篝唷边€可根據定位，事先準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齊鵬團隊主導，聯合上海非夕機器人科技有限公司、北京快舒爾醫療技術有限公司和中國心血管醫生創新俱樂部（CCI）共同開發完成。

我國科學家發明透明可折疊薄膜

中國科學技術大學俞書宏院士團隊特任副研究員管慶方等通過對傳統宣紙的詳細結構表征研究，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構啟發，發明了一種具有多尺度結構的高性能透明可折疊薄膜。相關成果2021年12月3日發表于ACS Materials Letters。

受宣紙啟發，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構，制備出高性能透明可折疊薄膜，通過“卷對卷”工藝可連續化生產?；谠摫∧ぶ谱鞯慕鼒鐾ㄐ烹娐冯娮悠骷婢吒咄该鞫?、高霧度和優異的柔韌性，在彎曲時仍可準確地記錄和讀取信息。

這種薄膜通過高密度的氫鍵網絡，將應力分散在更廣闊的多尺度三維網絡中，避免應力集中，同時實現了高強度和高柔韌性，在完全折疊后沒有破壞性折痕，卷起后也可恢復原狀。該薄膜還具有優異的熱穩定性，與廣泛使用的不可持續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、熱力學與光學特性，使其成為精密光學器件和柔性電子器件領域的理想薄膜材料。

化學電阻型氣體傳感應用研究獲重要進展

華南師范大學化學學院教授蘭亞乾團隊聯合中科院福建物質結構研究所研究員徐剛團隊在化學電阻型氣體傳感應用研究中取得重要進展，實現室溫下對NO2的高靈敏度和特異性傳感。相關研究2022年1月11日發表于《德國應用化學》。

該項研究報道了一種基于非線性配體的COF 2D納米片材料。這種由非線性橋聯配體和卟啉組分組裝的COF材料大大降低了層間應力，使超薄納米片的直接合成成為可能。預先設計的卟啉環可作為其表面可修飾的位置進行后金屬化，有效地實現傳感性能的改善。金屬化的Co-TPCOF對NO2表現出高度的特異性，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電阻氣體傳感的傳統2D材料的表面化學惰性，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，實現室溫下對NO2的高靈敏度和特異性傳感。該項研究將為設計更多具有豐富表面化學性質的2D傳感材料提供新的途徑。

加拿大科研團隊研發出智能T恤可監測穿著者的呼吸

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

研究團隊設計的智能襯衫涉及一個嵌入布中的、薄的螺旋狀天線網絡，具有藍牙功能。當穿著者呼吸時，天線會輕微變形，無線傳感器網絡檢測到這些變形，并將數據無線傳輸到一個基站進行分析。通過這種方式，穿著者的呼吸模式可以被測量和監測。

當第一次穿上時，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確地監測穿著者的呼吸。

下一步是將研究結果與其他方法進行比較，并在醫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。

俄羅斯開發新型光學活檢探針

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

該方法作為光學活檢的一部分有其應用價值。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的Evgenii Zherebtsov說，“因此，有朝一日，它可以幫助外科醫生更精確地導航活檢儀器，降低診斷組織樣本采集過程中出現的錯誤。”

該研究成果已發表于Biomedical Optics Express，據論文介紹，這種新的光學活檢系統結合了漫反射光譜和熒光壽命測量，以評估與細胞代謝相關的標記物，從而區分健康細胞和癌細胞。