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熊丽:让机器人手术更安全

发布者:新闻中心发布时间:2020-05-06浏览次数:10

见习记者易章豪 唐禧玉

    走进青山校区教一楼测控技术与仪器光学实验室,熊丽正忙着调试仪器仪表、测试传感器性能、监测光纤光栅的光谱......一天的工作虽然被安排得满满当当,但熊丽却乐在其中。

    熊丽是万博manbetx官网:机械学院2017级博士研究生。在从事光纤传感研究的八年时间里,她用自己的努力,拿出了一份“亮眼”的成绩单:以第一作者发表SCI论文6篇,1篇入选中科院SCI一区TOP期刊,1篇入选ESI高被引论文,申请国家发明专利2项,获得博士研究生国家奖学金。

多做多思, 在实践中发展兴趣

    “如果没有光纤通信,就不会有今天的互联网和通讯网络。”熊丽回忆说。2010年,正读大学的她在《科学美国人》杂志上读到“光纤”,便深深地被其优越的信息传播性能所吸引。

    怀揣着对光纤的兴趣,读研期间,她毅然选择“光纤传感”作为研究方向。上课、查文献、做实验、写论文......即使每天任务量都很重,但熊丽却乐此不疲,经常一坐就是十个小时。

    做实验没有灵感,她就“啃”别人的论文;做实验遇见难题,她就“穷追不舍”,不断更换实验方案,推陈出新。“科研之路虽漫长,但每一次小小的灵感与一点点的进步都会让我感到值得,让我更用心地做好这件事。”熊丽笑着说。

    “做科研要多动脑筋。”遇到问题,熊丽从不盲目解决,而会冷静思考、分析问题本质、分解目标、反复查阅文献、制定计划,直至构建出可行方案。

    “每次进实验室,都能看见熊丽师姐与蒋国璋、郭永兴老师‘激烈’交流。”2018级硕士研究生李聪说。俨然,与导师交流已成为熊丽工作的常态。实验有了新进展、难题无法解决、心情不好需要排解......熊丽总会将心里话与导师分享。对此,熊丽笑着说:“有时聊着聊着,问题就解决了。”

    “业精于勤荒于嬉,行成于思毁于随。唯有多劳多思,方能独辟蹊径,推陈出新。”回望自己八载科研路,熊丽总结道。 

独辟蹊径,破解手术机器人多维力觉检测难题

    近年来,随着手术机器人的发展,机器人手术得到了外科医生的广泛认可。但与人工手术相比,机器人手术器械臂和人体之间的作用力信息难以实时准确地反馈给医生,这将增加手术的风险。熊丽敏锐地“嗅”到问题所在:手术机器人力觉反馈存在缺失。

    知己知彼,方能百战不殆。通过文献调研,熊丽了解到国内外目前用于力觉检测的电类传感元件,多具有体积大、引线数量多、信号稳定性差等缺陷。“光纤光栅体积小,抗电磁干扰能力和生物相容性优越,可否用它试试?”理清思路后,熊丽立即投入研究。

    2017年,熊丽从手术机器人三维力检测技术入手,独辟蹊径,提出一种仅用5个光纤光栅实现三维力自解耦、温度自补偿的测量方法,并迅速搭建起三维力测试实验系统,解决了手术机器人在进行钝性分离、组织触摸等操作时力觉反馈缺失的问题。

    2018年,熊丽将研究重心放在了更复杂的六维力/力矩检测技术上。由于测量维度高,各维力和力矩会产生交叉耦合,需要进行复杂的标定和解耦运算,这对测量精度非常不利。而在当时,该项技术一旦突破,便可解决手术机器人力觉反馈缺失的瓶颈问题,推动我国医疗技术的发展。

    为降低六维力/力矩测量耦合,熊丽查阅文献、建立数十种传感构型,不断计算优化。三个月以来,熊丽经历了无数失败,但她一直对自己说:坚持!坚持!

    功夫不负有心人,熊丽独辟蹊径,寻找到了最佳解决方案:采用分层感知的结构来测量六维力/力矩,将传感构型划分为不同层次,即可大大降低维间耦合。

    但纸上得来终觉浅,理论还要经得起考验。凭着不认输的心态,熊丽花费三个月时间,反复摸索制备工艺,采用激光焊接及3D打印等技术,硬是制造出了传感器样机。优越低耦合性能的实验结果让熊丽绽放了笑容,“实验证明,我的理论是正确的!”

    最终,这一成果发表在电气电子领域国际权威顶级期刊《IEEE Transactions on Industrial Electronics》上。该期刊属于中科院SCI一区TOP期刊,影响因子7.503。 

独特打法,改进手术机器人光纤光栅力觉探针

    当今机器人手术中,常常需要通过末端探针进行力觉检测,精准的力觉反馈将有利于医生拿捏好手术力度。然而,当前用于手术机器人的光纤光栅力觉探针,在消毒过程中,探针因封装材料老化将产生粘接失效、力传递率降低等问题,不利于力觉的精准测量。

    如何防止封装材料老化并保证器械的生物相容性?由于国内外尚无相关研究文献,这项几乎从“0”开始的研究,成了熊丽面对的最大难题。

    用惰性材料“保护”封装材料、采用磁控溅射在封装材料表面“裹上”金属钛膜......半年里,熊丽用不同金属材料为封装材料“镀膜”,测试实验效果,但无一不以失败告终。

    “许多方法操作较复杂、成本较高,存在镀层结合力差、在极端条件下易出现裂缝等问题,虽有成效,但不实用。”弄清楚问题本质后,熊丽眸子里闪烁着更坚定的信念。

    一天,熊丽灵感闪现,“或许最完美的办法就是完全不用封装材料”。想到这一独特“打法”,熊丽说干就干。她决定,将光纤光栅直接熔入探针主体和手柄中,形成一体结构。在玻璃溶液浇注及凝固的过程中,强大的内应力极易使光纤变形甚至断裂。她找来不同光纤涂覆材料,一次次浇注、一次次凝固、一次次断裂,她乐此不疲地尝试着。

    “碳密封涂覆光纤不会断裂!”一次偶然的实验,令她无比欣喜,仿佛发现了“新大陆”。“这种方法能有效防止光纤表面微裂纹的扩大,延缓机械强度疲劳进程,非常适用于这种一体化结构,改进了当今手术机器人光纤光栅力觉探针。”熊丽的导师蒋国璋教授竖起大拇指。

    一步一个脚印,按照“原定计划”,熊丽完成了“预期目标”。她相继研究了面向手术机器人的光纤光栅三维力和六维力传感技术,研制出具有多维力反馈功能的末端手术微器械,申请了国家发明专利2项。

    “熊丽基础扎实,主观能动性强,具有良好的科研习惯,‘多劳多思’是她攻坚克难的第一秘诀,”蒋国璋教授赞扬说,“她善于统筹规划时间,合理分解科研目标,并逐一击破。”




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