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      學者?學生

      熊麗:讓機器人手術更安全

      發布者:新聞中心發布時間:2020-05-06瀏覽次數:10

      見習記者易章豪 唐禧玉

          走進青山校區教一樓測控技術與儀器光學實驗室,熊麗正忙著調試儀器儀表、測試傳感器性能、監測光纖光柵的光譜......一天的工作雖然被安排得滿滿當當,但熊麗卻樂在其中。

          熊麗是我校機械學院2017級博士研究生。在從事光纖傳感研究的八年時間里,她用自己的努力,拿出了一份“亮眼”的成績單:以第一作者發表SCI論文6篇,1篇入選中科院SCI一區TOP期刊,1篇入選ESI高被引論文,申請國家發明專利2項,獲得博士研究生國家獎學金。

      多做多思, 在實踐中發展興趣

          “如果沒有光纖通信,就不會有今天的互聯網和通訊網絡?!毙茺惢貞浾f。2010年,正讀大學的她在《科學美國人》雜志上讀到“光纖”,便深深地被其優越的信息傳播性能所吸引。

          懷揣著對光纖的興趣,讀研期間,她毅然選擇“光纖傳感”作為研究方向。上課、查文獻、做實驗、寫論文......即使每天任務量都很重,但熊麗卻樂此不疲,經常一坐就是十個小時。

          做實驗沒有靈感,她就“啃”別人的論文;做實驗遇見難題,她就“窮追不舍”,不斷更換實驗方案,推陳出新?!翱蒲兄冯m漫長,但每一次小小的靈感與一點點的進步都會讓我感到值得,讓我更用心地做好這件事?!毙茺愋χf。

          “做科研要多動腦筋?!庇龅絾栴},熊麗從不盲目解決,而會冷靜思考、分析問題本質、分解目標、反復查閱文獻、制定計劃,直至構建出可行方案。

          “每次進實驗室,都能看見熊麗師姐與蔣國璋、郭永興老師‘激烈’交流?!?018級碩士研究生李聰說。儼然,與導師交流已成為熊麗工作的常態。實驗有了新進展、難題無法解決、心情不好需要排解......熊麗總會將心里話與導師分享。對此,熊麗笑著說:“有時聊著聊著,問題就解決了?!?/p>

          “業精于勤荒于嬉,行成于思毀于隨。唯有多勞多思,方能獨辟蹊徑,推陳出新?!被赝约喊溯d科研路,熊麗總結道。 

      獨辟蹊徑,破解手術機器人多維力覺檢測難題

          近年來,隨著手術機器人的發展,機器人手術得到了外科醫生的廣泛認可。但與人工手術相比,機器人手術器械臂和人體之間的作用力信息難以實時準確地反饋給醫生,這將增加手術的風險。熊麗敏銳地“嗅”到問題所在:手術機器人力覺反饋存在缺失。

          知己知彼,方能百戰不殆。通過文獻調研,熊麗了解到國內外目前用于力覺檢測的電類傳感元件,多具有體積大、引線數量多、信號穩定性差等缺陷?!肮饫w光柵體積小,抗電磁干擾能力和生物相容性優越,可否用它試試?”理清思路后,熊麗立即投入研究。

          2017年,熊麗從手術機器人三維力檢測技術入手,獨辟蹊徑,提出一種僅用5個光纖光柵實現三維力自解耦、溫度自補償的測量方法,并迅速搭建起三維力測試實驗系統,解決了手術機器人在進行鈍性分離、組織觸摸等操作時力覺反饋缺失的問題。

          2018年,熊麗將研究重心放在了更復雜的六維力/力矩檢測技術上。由于測量維度高,各維力和力矩會產生交叉耦合,需要進行復雜的標定和解耦運算,這對測量精度非常不利。而在當時,該項技術一旦突破,便可解決手術機器人力覺反饋缺失的瓶頸問題,推動我國醫療技術的發展。

          為降低六維力/力矩測量耦合,熊麗查閱文獻、建立數十種傳感構型,不斷計算優化。三個月以來,熊麗經歷了無數失敗,但她一直對自己說:堅持!堅持!

          功夫不負有心人,熊麗獨辟蹊徑,尋找到了最佳解決方案:采用分層感知的結構來測量六維力/力矩,將傳感構型劃分為不同層次,即可大大降低維間耦合。

          但紙上得來終覺淺,理論還要經得起考驗。憑著不認輸的心態,熊麗花費三個月時間,反復摸索制備工藝,采用激光焊接及3D打印等技術,硬是制造出了傳感器樣機。優越低耦合性能的實驗結果讓熊麗綻放了笑容,“實驗證明,我的理論是正確的!”

          最終,這一成果發表在電氣電子領域國際權威頂級期刊《IEEE Transactions on Industrial Electronics》上。該期刊屬于中科院SCI一區TOP期刊,影響因子7.503。 

      獨特打法,改進手術機器人光纖光柵力覺探針

          當今機器人手術中,常常需要通過末端探針進行力覺檢測,精準的力覺反饋將有利于醫生拿捏好手術力度。然而,當前用于手術機器人的光纖光柵力覺探針,在消毒過程中,探針因封裝材料老化將產生粘接失效、力傳遞率降低等問題,不利于力覺的精準測量。

          如何防止封裝材料老化并保證器械的生物相容性?由于國內外尚無相關研究文獻,這項幾乎從“0”開始的研究,成了熊麗面對的最大難題。

          用惰性材料“保護”封裝材料、采用磁控濺射在封裝材料表面“裹上”金屬鈦膜......半年里,熊麗用不同金屬材料為封裝材料“鍍膜”,測試實驗效果,但無一不以失敗告終。

          “許多方法操作較復雜、成本較高,存在鍍層結合力差、在極端條件下易出現裂縫等問題,雖有成效,但不實用?!迸宄栴}本質后,熊麗眸子里閃爍著更堅定的信念。

          一天,熊麗靈感閃現,“或許最完美的辦法就是完全不用封裝材料”。想到這一獨特“打法”,熊麗說干就干。她決定,將光纖光柵直接熔入探針主體和手柄中,形成一體結構。在玻璃溶液澆注及凝固的過程中,強大的內應力極易使光纖變形甚至斷裂。她找來不同光纖涂覆材料,一次次澆注、一次次凝固、一次次斷裂,她樂此不疲地嘗試著。

          “碳密封涂覆光纖不會斷裂!”一次偶然的實驗,令她無比欣喜,仿佛發現了“新大陸”?!斑@種方法能有效防止光纖表面微裂紋的擴大,延緩機械強度疲勞進程,非常適用于這種一體化結構,改進了當今手術機器人光纖光柵力覺探針?!毙茺惖膶熓Y國璋教授豎起大拇指。

          一步一個腳印,按照“原定計劃”,熊麗完成了“預期目標”。她相繼研究了面向手術機器人的光纖光柵三維力和六維力傳感技術,研制出具有多維力反饋功能的末端手術微器械,申請了國家發明專利2項。

          “熊麗基礎扎實,主觀能動性強,具有良好的科研習慣,‘多勞多思’是她攻堅克難的第一秘訣,”蔣國璋教授贊揚說,“她善于統籌規劃時間,合理分解科研目標,并逐一擊破?!?/p>




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