Các nhà nghiên cứu tại Trung Quốc đã phát triển một cảm biến quang học có kích thước chỉ tương đương hạt gạo, cho phép robot phẫu thuật và các dụng cụ y tế sở hữu khả năng “xúc giác” trong quá trình thao tác.
Thiết bị có kích thước khoảng 1,7 mm và sử dụng ánh sáng để đo lực, áp suất cũng như chuyển động xoắn theo mọi hướng thay vì dựa vào linh kiện điện tử truyền thống. Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ này có thể giúp robot phát hiện các tiếp xúc nguy hiểm trong quá trình phẫu thuật tinh vi và đưa ra phản ứng gần như tức thời.
Ngoài ra, cảm biến còn được chứng minh có khả năng nhận diện các cấu trúc ẩn bên dưới vật liệu mềm, bao gồm những vật thể mô phỏng khối u nằm trong mô nhân tạo.
Nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Shanghai Jiao Tong University thực hiện.
Sử dụng ánh sáng thay cho linh kiện điện tử
Hiện nay, nhiều hệ thống robot phẫu thuật chủ yếu phụ thuộc vào hình ảnh để định hướng thao tác. Tuy nhiên, việc cảm nhận tương tác vật lý trong các không gian hẹp vẫn là thách thức lớn. Các cảm biến lực hiện có thường quá cồng kềnh để tích hợp vào các dụng cụ siêu nhỏ.
Trưởng nhóm nghiên cứu Jianlong Yang cho biết mặc dù công nghệ hình ảnh hiện đại có thể hiển thị rõ cấu trúc giải phẫu, nhưng lại thiếu khả năng cung cấp thông tin về lực tiếp xúc hoặc mô-men xoắn. Trong khi đó, các cảm biến lực hiện nay thường quá phức tạp hoặc kích thước lớn để tích hợp vào công cụ y tế siêu nhỏ.
Theo ông Yang, công nghệ mới có thể giúp robot đo được lực tiếp xúc, áp suất, lực cắt cũng như chuyển động xoắn, từ đó phát hiện sớm các tương tác không an toàn và điều chỉnh thao tác theo thời gian thực, đặc biệt trong các môi trường nhỏ và nhạy cảm.
Nhóm nghiên cứu thiết kế cảm biến dựa trên một sợi cáp quang với đầu đàn hồi mềm. Khi đầu cảm biến chạm vào vật thể, cấu trúc này sẽ biến dạng nhẹ, làm thay đổi cách ánh sáng truyền bên trong thiết bị.
Sau đó, một bó sợi quang đồng bộ sẽ chuyển mô hình ánh sáng tới camera để hệ thống xử lý dữ liệu phân tích và tính toán lực cũng như mô-men xoắn theo nhiều hướng khác nhau.
Các nhà nghiên cứu cho biết thiết kế này giúp loại bỏ sự phức tạp về dây dẫn vốn thường xuất hiện ở các cảm biến siêu nhỏ truyền thống.
Ông Jianlong Yang cho biết cảm biến mới hoạt động khác với các hệ thống sợi quang Bragg (FBG) truyền thống, vốn cần nhiều phần tử cảm biến cùng cấu trúc thiết kế phức tạp để tách riêng từng thành phần lực.
Thay vì đo từng lực riêng lẻ, thiết bị mới có thể cảm nhận toàn bộ trạng thái tiếp xúc trong một bước duy nhất. Theo nhóm nghiên cứu, điều này có thể giúp việc phát triển các công cụ y tế nhỏ gọn vừa “nhìn thấy” vừa “cảm nhận được” trở nên khả thi hơn.
Có thể phát hiện cấu trúc ẩn dưới mô mềm
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm cảm biến trong môi trường tải trọng được kiểm soát bằng nhiều lực và chuyển động xoắn khác nhau. Kết quả cho thấy thiết bị duy trì độ ổn định cao và độ trễ thấp, giúp dữ liệu đo được nhất quán trong nhiều chu kỳ hoạt động.
Các nhà khoa học cũng thử nghiệm thiết bị trên mô hình gelatin chứa những vật thể hình cầu cứng nhằm mô phỏng khối u ẩn bên dưới mô mềm. Cảm biến đã xác định thành công vị trí của các cấu trúc được nhúng trong vật liệu.
Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ này có thể cải thiện đáng kể khả năng định hướng xúc giác trong các ca phẫu thuật xâm lấn tối thiểu. Trong nhiều trường hợp, robot phẫu thuật phải hoạt động trong các không gian cực hẹp như bên trong mắt hoặc qua những đường rạch nhỏ, nơi va chạm ngoài ý muốn có thể gây tổn thương mô nhạy cảm.
Ông Yang nhận định việc giúp robot và các dụng cụ phẫu thuật an toàn, chính xác hơn có thể hỗ trợ các quy trình y tế tinh vi được kiểm soát tốt hơn, đồng thời giảm nguy cơ gây tổn thương ngoài ý muốn cho bệnh nhân.
Hướng tới thương mại hóa
Nhóm nghiên cứu hiện tập trung cải thiện độ đồng nhất trong sản xuất và giảm yêu cầu hiệu chuẩn trước khi đưa công nghệ vào thương mại hóa.
Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng hướng tới tích hợp cảm biến vào robot y tế và hệ thống công nghiệp để tiến hành các thử nghiệm dài hạn trong điều kiện vận hành thực tế.
Theo nhóm nghiên cứu, giai đoạn tiếp theo sẽ tập trung vào việc đóng gói công nghệ thành những hệ thống nhỏ gọn, thuận tiện cho bác sĩ và kỹ sư triển khai trong môi trường ứng dụng thực tế.
Nghiên cứu đã được công bố trên Optica.
Bình luận
0