导语
新加坡国立大学的研究人员借鉴大自然的经验，开发了“eAir”——一种空气弹性传感器，改变了检测压力的方式。
新加坡国立大学(NUS)的研究人员开发了一种新型的空气弹性压力传感器，称为“eAir”。这项技术可以应用于微创手术和植入式传感器，直接解决与现有压力传感器相关的挑战。
eAir传感器有望在医疗应用中提高精度和可靠性。它有可能通过为外科医生提供触觉反馈来改变腹腔镜手术，从而更精确地操纵病人的组织。此外，该传感器可以通过提供一种侵入性较小的监测颅内压(ICP)的方法来改善患者的体验，颅内压是神经系统疾病患者的关键健康指标。
相关研究于近日发表在《Nature Materials》杂志上，题为“Frictionless multiphasic interface for near-ideal aero-elastic pressure sensing”。
1、从荷叶到实验室:利用大自然的设计
传统的压力传感器在精度上经常存在问题。它们难以提供一致的读数，当重复施加相同的压力时，通常会返回不同的结果，并且可能忽略压力的细微变化-所有这些都可能导致重大错误。它们通常由坚硬和机械上不灵活的材料制成。
为了解决压力传感方面的这些挑战，新加坡国立大学的研究小组从一种被称为“荷叶效应”的现象中获得了灵感。“荷叶效应”是一种独特的自然现象，水滴毫不费力地从荷叶表面滚下，这是由于其微小的防水结构而成为可能。为了模拟这种效应，该团队设计了一种压力传感器，旨在显著提高传感性能。
eAir的概念和设计 | Wen Cheng et al.
Tee副教授解释说:“这种传感器类似于微型的‘容量计’，可以检测到微小的压力变化，就像荷叶对水滴极轻的触摸的灵敏度一样。”
采用创新的“空气弹簧”设计，eAir传感器容纳了一个被困的空气层，在与传感器的液体接触时形成气液界面。随着外部压力的增加，这个空气层被压缩。表面处理导致传感器内部界面的无摩擦运动，触发电信号的变化，准确反映施加的压力。利用这种设计，荷叶的天然防水能力被重新设想为一种简单而优雅的压力感应工具。
微结构界面润湿特性对传感性能的影响 | Wen Cheng et al.
eAir设备可以做得相对较小，只有几毫米大小，这与现有的压力传感器相当。
2、微创手术可能改变游戏规则
这项新技术在现实世界中的应用非常广泛。例如，在腹腔镜手术中，精确的触觉反馈是必不可少的，结合eAir传感器可以带来更安全的手术过程，最终提高患者的康复和预后。
eAir在无线ICP监测和腹腔镜工具中的应用 | Wen Cheng et al.
“用手做手术有其独特的挑战。精确的控制和对施加的力的准确感知是至关重要的，但传统的工具有时会有所不足，这使得外科医生严重依赖经验，甚至直觉。然而，柔软且易于集成的eAir传感器的引入可能会改变游戏规则，”同样来自新加坡国立大学材料科学与工程系的Tee副教授说。
“当外科医生进行微创手术，如腹腔镜手术或机器人手术时，我们可以控制抓取器的颚，但我们无法感觉到末端执行器正在抓取什么。因此，外科医生必须依靠我们的视觉和多年的经验来判断我们的触觉可以提供的关键信息，”国立大学医院，黄庭芳总医院和新加坡国立大学永禄林医学院普通外科顾问Kaan Hung Leng博士解释说。
Kaan博士没有参与这项研究项目，他详细阐述说:“智能压力传感器提供的触觉或触觉反馈有可能彻底改变微创手术领域。例如，关于被抓组织是硬的、硬的还是软的信息，为外科医生在手术过程中做出谨慎的决定提供了额外和重要的信息来源。最终，这些术中益处有可能转化为手术和患者预后的改善。”
此外，eAir提供了一个改进监测颅内压过程的机会，颅内压是指影响大脑健康的颅骨内压力。同样，通过提供一种微创解决方案，这项技术可以改变患者对大脑相关疾病的治疗体验，从严重的头痛到潜在的脑损伤。
3、开启智能传感的未来
新加坡国立大学团队正在为与医学领域的主要参与者合作奠定基础。与此同时，他们已经在新加坡为eAir传感器技术申请了专利，旨在将该技术转化为现实世界的应用。
"我们希望通过探索各种新材料和微结构设计,进一步改进ESAR传感器,以提高其性能,"Tee副教授分享道。
内容来源
https://news.nus.edu.sg/nature-inspired-pressure-sensing-technology/?utm_source=Corpsite&utm_medium=Highlight
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01628-8
