Chinas robotischer Tastsensor: Winzige Komponente verleiht Robotern das Gefühl von Berührung

Zudem zeigten die Forscher, dass das Gerät verborgene Strukturen unter weichen Materialien identifizieren kann, einschließlich tumorähnlicher Objekte, die in Gewebemodellen eingebettet sind. Die Arbeit stammt Tong University. Licht ersetzt Elektronik: Aktuelle Systeme für die roboterassistierte Chirurgie stützen sich stark auf Bildgebung.

Doch sie haben Schwierigkeiten, physische Interaktionen in engen chirurgischen Räumen wahrzunehmen.

Bestehende Kraftsensoren bleiben zudem für viele Miniaturwerkzeuge zu groß. „Obwohl moderne Bildgebungssysteme Strukturen klar abbilden können, liefern sie keine Informationen über physikalische Wechselwirkungen wie Kraft oder Drehmoment, und vorhandene Kraftsensoren sind häufig zu sperrig oder komplex, um in Miniaturwerkzeuge integriert zu werden", sagte der Leiter des Forschungsteams, Jianlong Yang University in China. „Indem Maschinen Kontaktkräfte, Druck, Scherkräfte und Verdrehung messen können, ermöglicht unsere Technologie Robotern, unsicheren Kontakte frühzeitig zu erkennen und ihre Aktionen in Echtzeit anzupassen, insbesondere in kleinen und sensiblen Umgebungen." Die Forscher entwickelten den Sensor um eine optische Faser mit einem weichen Elastomer-Spitze herum.

Berührt die Spitze ein Objekt, verformt

Berührt die Spitze ein Objekt, verformt sie sich minimal. Diese winzige Bewegung verändert die Art und Weise, wie sich das Licht innerhalb des Sensors ausbreitet. Ein kohärenter Faserbündel leitet das Lichtmuster dann zu einer Kamera. Das System analysiert das erfasste Bild mithilfe datengestützter Methoden, um Kräfte und Drehmomente in alle Richtungen zu berechnen.

Die Forscher stellten fest, dass das Setup die Verkabelungskomplexität vermeidet, die bei herkömmlichen Miniatur-Sensoren üblich ist. „Unser Sensor funktioniert anders als herkömmliche Miniatur-Kraftsensoren, wie beispielsweise Faser-Bragg-Gitter-(FBG)-Systeme, die auf mehrere Sensorelemente und sorgfältig gestaltete Strukturen angewiesen sind, um verschiedene Kraftkomponenten zu trennen", sagte Yang. „Wir messen nicht Kraftstück für Stück, sondern erfassen den gesamten Kontaktzustand in einem einzigen Schritt.

Wir glauben, dass dieser Wandel den Aufbau kompakter Werkzeuge erleichtern könnte, die sowohl sehen als auch fühlen können." Erkennung verborgener Strukturen Das Team testete das Gerät unter kontrollierten Belastungsbedingungen mit bekannten Kräften und Verdrehbewegungen.

Haltbarkeit im Praxistest

Der Sensor lieferte reproduzierbare Messungen mit geringer Hysterese, was bedeutet, dass die Werte während der Belastungs- und Entlastungszyklen konsistent blieben. Die Forscher testeten das Gerät zudem an Gelatinemodellen, die starre kugelförmige Objekte enthielten, die Tumore unter dem Gewebe nachahmen sollten. Der Sensor erkannte und lokalisierte die eingebetteten Strukturen erfolgreich.

Das Team geht davon aus, dass die Technologie die haptische Führung bei minimal-invasiven Eingriffen verbessern könnte.

Chirurgen, die robotergestützte Systeme einsetzen, arbeiten häufig durch enge Zugänge, in denen versehentliche Berührungen empfindliches Gewebe schädigen können. „Robotersysteme, die bei minimal-invasiven Eingriffen zum Einsatz kommen, operieren in extrem engen Räumen, beispielsweise im Inneren des Auges oder durch schmale chirurgische Zugänge", so Yang. „Durch die Sicherung und Präzisierung könnte diese Technologie empfindliche medizinische Eingriffe besser kontrollieren und das Risiko unbeabsichtigter Schäden verringern." Weg zur praktischen AnwendungDie Forscher planen nun, die Fertigungskonsistenz zu verbessern und die Kalibrierungsanforderungen vor dem kommerziellen Einsatz zu reduzieren.

Zudem streben sie die Integration des Sensors in medizinische und industrielle Robotersysteme an, um das System unter realen Betriebsbedingungen langfristig zu testen. Das Team erklärte, dass weitere Arbeiten sich auf die Entwicklung kompakter Systeme konzentrieren werden, die praktischen Umgebungen einfach eingesetzt werden können. Die Studie wurde in der Zeitschrift Optica veröffentlicht.