Ricercatori hanno sviluppato un sensore delle dimensioni di un chicco di riso in grado di misurare forze e torsioni in tutte le direzioni utilizzando la luce anziché l’elettronica tradizionale. Il nuovo sensore potrebbe aiutare gli strumenti robotici e i dispositivi medici a “percepire” ciò che toccano, soprattutto su scala molto ridotta.
“Sebbene i moderni sistemi di imaging possano mostrare chiaramente le strutture, non forniscono informazioni sull’interazione fisica, come forza o coppia, e i sensori di forza esistenti sono spesso troppo ingombranti o complessi per essere integrati in strumenti miniaturizzati”, ha affermato Jianlong Yang, responsabile del team di ricerca presso l’Università Jiao Tong di Shanghai, in Cina. “Consentendo alle macchine di misurare la forza di contatto, la pressione, il taglio e la torsione, la nostra tecnologia potrebbe permettere ai robot di rilevare tempestivamente i contatti pericolosi e di adattare le proprie azioni in tempo reale, soprattutto in ambienti piccoli e delicati.”
Sulla rivista Optica , i ricercatori descrivono il loro nuovo sensore, che misura appena 1,7 millimetri e utilizza un singolo segnale ottico per misurare forze e coppie in tutte le direzioni contemporaneamente. Test di fattibilità hanno dimostrato che il sensore è in grado di rilevare variazioni di rigidità e individuare strutture nascoste in modelli che simulano un tumore incorporato nei tessuti.
“I sistemi robotici utilizzati nella chirurgia mininvasiva operano in spazi estremamente ristretti, come all’interno dell’occhio o attraverso stretti canali chirurgici”, ha affermato Yang. “Rendendo gli strumenti e i robot più sicuri e precisi, questa tecnologia potrebbe rendere le delicate procedure mediche più controllate e ridurre il rischio di danni accidentali.”
Trasformare il tocco in luce
Il nuovo lavoro è nato da un progetto più ampio volto a sviluppare tecnologie di rilevamento ottico per la chirurgia mininvasiva e i sistemi robotici. Mentre le soluzioni convenzionali si basano su molteplici elementi di rilevamento o strutture complesse, i ricercatori volevano sviluppare un dispositivo semplice ed economico che utilizzasse un singolo segnale ottico per misurare forze e coppie in tutte le direzioni contemporaneamente.
Per catturare l’interazione fisica utilizzando la luce anziché i tradizionali sensori elettrici, hanno sviluppato un sensore costituito da una fibra ottica con una punta in elastomero morbido che si deforma leggermente al contatto con un oggetto. Anche una minima deformazione modifica la distribuzione della luce nella cavità ottica all’interno della punta, formando un pattern luminoso che viaggia attraverso un fascio di fibre coerenti fino a una telecamera che cattura il pattern come immagine.
Il fascio di fibre coerenti preserva le informazioni spaziali nei modelli di luce trasmessa, consentendo di effettuare tutte le rilevazioni attraverso un singolo canale ottico senza cablaggi complessi o elementi di rilevamento multipli. L’immagine viene quindi analizzata utilizzando metodi basati sui dati per ricavare forze e coppie in tutte le direzioni.
“Il nostro sensore funziona in modo diverso dai sensori di forza miniaturizzati convenzionali, come i sistemi a reticolo di Bragg in fibra (FBG) che si basano su molteplici elementi di rilevamento e strutture attentamente progettate per separare le diverse componenti della forza”, ha affermato Yang. “Non misuriamo la forza pezzo per pezzo, ma rileviamo lo stato di contatto complessivo in un unico passaggio. Riteniamo che questo cambiamento potrebbe semplificare la realizzazione di strumenti compatti in grado sia di vedere che di sentire.
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Sensazioni sotto la superficie
I ricercatori hanno valutato il sensore utilizzando una configurazione sperimentale controllata in cui sono state applicate forze e coppie note, registrandone contemporaneamente la risposta ottica. Hanno utilizzato un sensore di forza-coppia di riferimento di precisione per le misurazioni di base e una piattaforma motorizzata per creare un’ampia gamma di condizioni di carico, tra cui forze combinate e torsioni.
Durante questi esperimenti, il sensore ha ottenuto misurazioni accurate e ripetibili con bassa isteresi, ovvero ha prodotto letture pressoché identiche durante le fasi di carico e scarico, anche in condizioni di carico complesse. Le sue prestazioni sono rimaste stabili anche in presenza di variazioni di temperatura e quando la sonda è stata piegata.
I ricercatori hanno anche eseguito test di palpazione del tumore utilizzando gelatina contenente un’inclusione sferica rigida per simulare un tumore sottocutaneo, dimostrando che il sensore era in grado di rilevare e localizzare l’inclusione. Questo tipo di informazione potrebbe supportare la guida tattile e la mappatura meccanica negli interventi minimamente invasivi.
Successivamente, i ricercatori intendono passare dalla validazione in laboratorio all’utilizzo pratico, migliorando la coerenza della produzione e riducendo la necessità di complesse calibrazioni. Il sensore dovrà inoltre essere integrato in strumenti e sistemi robotici pertinenti ai casi d’uso previsti e testato in condizioni operative realistiche e a lungo termine. Prima della commercializzazione, sono necessari ulteriori sviluppi per garantire prestazioni affidabili su larga scala e per integrare il sistema in un formato compatto e di facile utilizzo, che possa essere facilmente impiegato in contesti medici e industriali.
Il rilevamento completo della forza e della coppia a sei gradi di libertà (6-DoF) è essenziale per la manipolazione robotica, la microfabbricazione e la produzione minimamente intervento invasivo, tuttavia i sensori esistenti rimangono limitati da dimensioni ingombranti dimensioni, fabbricazione complessa e costi di sistema elevati. Qui riportiamo, a per quanto ne sappiamo, il più piccolo sistema ottico a 6 gradi di libertà sensore di forza-coppia, caratterizzato da un ingombro di soli 1,7 mm. Il dispositivo utilizza un campo luminoso codificato in deformazione meccanismo di trasduzione che converte le chiavi esterne in spazialmente risposte ottiche distribuite all’interno di un fascio di fibre coerente, consentendo tutte e sei le componenti devono essere dedotte attraverso un singolo canale ottico. L’analisi agli elementi finiti e l’analisi jacobiana nello spazio dei pixel rivelano che le risposte ottiche coprono l’intero spazio della chiave a sei dimensioni ma mostrano un moderato malcondizionamento dovuto all’accoppiamento strutturale al scala in miniatura. Per affrontare questo problema, introduciamo un quadro di autocalibrazione generativa basato sulla diffusione latente che sintetizza risposte ottiche fisicamente coerenti e consente apprendimento efficiente in termini di dati della mappatura non lineare tra campi luminosi e carichi meccanici. Il sistema raggiunge un’elevata linearità, ripetibilità, e misurazioni a 6-DoF a bassa isteresi, rimane robusto sotto variazioni di temperatura e flessione e fornisce forza in tempo reale e feedback di coppia nella palpazione simulata in vivo e su fantoccio. Questi i risultati stabiliscono una piattaforma completamente ottica che combina rilevamento codificato della deformazione con calibrazione generativa, aprendo la strada via verso una percezione della forza compatta e a basso costo per la robotica e sistemi biomedici.
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