Cảm biến bằng hạt gạo đem lại xúc giác cho robot

Cảm biến chỉ nhỏ 1,7 milimet nhưng giúp robot phát hiện các tiếp xúc không an toàn trong quy trình tinh tế, sau đó phản hồi ngay lập tức. Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh được rằng thiết bị đủ sức xác định cấu trúc ẩn bên dưới mô mềm, gồm cả khối u nằm trong mô.

Cảm biến 1,7 milimet. Ảnh: Yang Jianlong

Ánh sáng thay thế điện tử

Các hệ thống robot phẫu thuật hiện nay phụ thuộc rất nhiều vào hình ảnh. Tuy nhiên chúng gặp khó khăn trong cảm nhận tương tác vật lý ở không gian phẫu thuật chật hẹp. Kích thước cảm biến lực truyền thống vẫn quá lớn so với nhiều dụng cụ y tế thu nhỏ.

Theo trưởng nhóm nghiên cứu Yang Jianlong: “Mặc dù hệ thống hình ảnh hiện đại hiển thị được cấu trúc vô cùng rõ ràng, nhưng lại không cung cấp thông tin về tương tác vật lý chẳng hạn lực hay mô men xoắn. Cảm biến lực hiện có lại quá phức tạp hay cồng kềnh để tích hợp vào dụng cụ nhỏ”.

“Bằng cách cho phép máy móc đo lực tiếp xúc, áp suất, lực cắt cùng lực xoắn, công nghệ của chúng tôi khiến robot phát hiện sớm tiếp xúc không an toàn và điều chỉnh hành động theo thời gian thực, đặc biệt ở môi trường nhỏ và nhạy cảm”, ông nói thêm.

Nhóm thiết kế cảm biến xung quanh quanh một sợi quang với đầu bằng chất đàn hồi mềm. Đầu sợi khi chạm vật thể nào đó sẽ biến dạng nhẹ – đủ làm thay đổi cách ánh sáng lan truyền bên trong cảm biến.

Sau đó một bó sợi quang đồng nhất truyền tín hiệu ánh sáng đến camera. Hệ thống phân tích hình ảnh truyền về bằng vài phương pháp xử lý dữ liệu để tính toán lực hay mô men xoắn từ mọi hướng.

Mô hình như vậy tránh được sự phức tạp về dây dẫn thường thấy với hệ thống thu nhỏ thông thường. Ông Yang cho biết: “Cảm biến của chúng tôi hoạt động khác cảm biến lực thu nhỏ thông thường, chẳng hạn hệ thống mạng tinh thể Bragg sợi quang (FBG) dựa trên nhiều phần tử cảm biến cùng cấu trúc được thiết kế cẩn thận để tách các thành phần lực khác nhau. Chúng tôi không đo từng lực riêng lẻ mà cảm nhận trạng thái tiếp xúc tổng thể qua một bước duy nhất. Chúng tôi tin sự thay đổi này giúp việc chế tạo công cụ nhỏ vừa biết 'nhìn' vừa biết 'cảm nhận' trở nên dễ dàng hơn”.

Xác định cấu trúc ẩn

Trải qua thử nghiệm ở điều kiện được kiểm soát, cảm biến cho kết quả đo lặp lại được với độ trễ thấp – nghĩa là các chỉ số vẫn nhất quán trong suốt chu kỳ.

Nhóm cũng tiến hành thử nghiệm thiết bị ở mô hình gelatine chứa vài vật thể hình cầu cứng mô phỏng khối u ẩn dưới mô. Cảm biến thành công định vị vật thể.

Họ tin rằng công nghệ mới có thể cải thiện khả năng điều khiển bằng xúc giác trong phẫu thuật xâm lấn tối thiểu – điều kiện mà robot phải thao tác ở không gian cực kỳ chật hẹp, tiếp xúc vô tình cũng dễ làm tổn thương mô nhạy cảm.

Nhóm lên kế hoạch cải thiện tính nhất quán trong sản xuất và giảm yêu cầu hiệu chuẩn trước khi triển khai thương mại cảm biến. Họ cũng đặt mục tiêu tích hợp cảm biến vào các hệ thống robot y tế lẫn công nghiệp nhằm thử nghiệm thực tế.

Bước tiếp theo sẽ là tìm cách “đóng gói” công nghệ thành hệ thống nhỏ gọn, dễ dàng triển khai.

Cẩm Bình