在微創(chuàng)手術機器人領域，操作精度與安全性是決定手術成敗的核心要素。其中，原位力感知與反饋技術被視為核心技術，直接關系到手術的安全性、精確度與效率。

以直覺外科推出的達芬奇第5代腔鏡手術機器人為例，該機型在2024年首次集成力反饋系統后，將術區(qū)交互力峰值降低43%，顯著提升了手術安全閾值。即便美國FDA實施了銷售限制，該機型在2024年仍實現商業(yè)化裝機360臺，占據美國腔鏡手術機器人市場約50%的份額。

盡管原位力感知與反饋技術已成為手術機器人行業(yè)的技術制高點，但該技術仍面臨多項技術挑戰(zhàn)：一是受限于末端執(zhí)行器的尺寸集成，現有力感知系統難以實現多維力的同位測量；二是傳統電學傳感器在CT/MRI兼容性、磁導航環(huán)境適應性以及液體介質穩(wěn)定性等方面表現欠佳；三是對高溫高壓滅菌等常規(guī)消毒方式的耐受性有限，制約了其臨床推廣應用。

在此背景下，光纖布拉格光柵（FBG）傳感器憑借其微型化封裝、良好生物相容性和電磁免疫等優(yōu)勢，逐漸成為原位力感知技術的研究熱點。然而，FBG傳感器在實際應用中仍存在溫度-應變交叉敏感導致的測量誤差，以及溫度補償算法帶來的系統復雜度增加等技術瓶頸。

▍首創(chuàng)柵區(qū)變徑FBG多維力感知技術，實現力-溫本征解耦與動態(tài)容錯

面對上述技術難題，武漢理工大學李天梁教授團隊聯合北京理工大學段星光教授團隊、北京大學人民醫(yī)院劉海鷹教授團隊以及香港中文大學任洪亮教授團隊開展了聯合攻關，并于近期取得了階段性重要突破。

研究團隊從外科醫(yī)生操作手部“觸覺感知”中汲取靈感，結合神經細胞孿生分裂演化機制，創(chuàng)新性地提出了一種柵區(qū)變徑FBG傳感微結構，用于實現手術機器人與組織交互力的高精度感知。分別研制了脊柱內鏡手術機器人三維力感知執(zhí)行器(量程 10N)與輔助骨科手術機器人六維力/力矩傳感器(力量程 50N 力矩量程 1200N·mm)。通過鍍層涂敷誘導FBG 光譜分裂形成孿生峰，從而實現溫度與力的分離感知。相比傳統單峰 FBG傳感器，其力溫耦合誤差降低了50%。

針對手術機器人執(zhí)行器的臨床需求，研究團隊采用激光微焊接封裝技術，成功實現石英光纖與金屬基底的異質材料高強度鍵合，使傳感器可耐受180℃干熱滅菌、長期水環(huán)境浸泡及重復使用，與依賴低溫等離子滅菌的傳統膠粘封裝相比，成本降低80%以上。

同時，研究團隊還基于孿生波長的冗余數據，構建了光纖多維力傳感器故障在線識別與動態(tài)容錯解耦框架，有效提升了傳感系統的臨床可靠性。該框架在單支FBG損壞或光譜啁啾失真的情況下將測量誤差降低至4.42%以內，相比常規(guī)無容錯的多維力解耦方法，將三維力與六維力容錯恢復率從零分別提升至40.23%與25.7%。

為驗證所提出光纖多維力原位感知技術在臨床中的適用性，研究團隊開展了系統的應用驗證研究。該技術已成功集成至經皮脊柱內鏡機器人和骨科輔助手術機器人平臺，并在豬脊柱模型（L3-L5節(jié)段）及人體尸體顱骨組織上進行了嚴格的性能測試。實驗結果表明：一是微型化設計使傳感器尺寸最小可達4mm，滿足微創(chuàng)手術的空間限制要求；二是經過11次180℃高溫滅菌循環(huán)后，測量誤差仍能控制在5%以內，展現出優(yōu)異的復用穩(wěn)定性；三是創(chuàng)新的柵區(qū)變徑設計實現了力-溫度的高精度解耦；四是先進的動態(tài)容錯算法確保了在部分光纖失效時測量的可靠性。這些數據充分證實了團隊所提研究成果的優(yōu)越性能。

近期，團隊的兩項重要成果已分別以學術論文形式正式發(fā)表。其一題為“3-axial force Self Fault-tolerant Decoupling of Surgical Forceps Integrating Step-coated FBG for Spinal Endoscopic Robot”，刊發(fā)于《IEEE Transactions on Automation Science and Engineering》；其二題為“Step-coated FBG and Runway-shaped Beam 6-D F/T Sensor with Dynamic Self-fault-tolerant for Orthopedic Surgery Robot”，發(fā)表在《The International Journal of Robotics Research》。兩篇論文第一作者均為趙琛，通訊作者均為李天梁教授。

▍四大改進與創(chuàng)新，提升力感知系統性能與可靠性

通過傳感結構創(chuàng)新、封裝工藝改進、精度校準方法和智能算法的協同優(yōu)化，研究團隊在手術機器人多維力感知技術方面取得了系統性突破，顯著提升了力感知系統的性能和可靠性。具體而言：

• 柵區(qū)變徑微結構：破局傳統FBG對熱-力串擾感知模式

在傳感結構方面，研究團隊通過鍍層誘導柵格間距發(fā)生改變，成功形成了具有孿生波長反射特征的柵區(qū)變徑結構。相比于傳統力感知敏感結構，該柵區(qū)變徑結構以單FBG雙信號形式提升溫度-應變解耦能力，并在光纖損傷情況下增強了容錯測量能力。

• 封裝工藝革新：突破光纖力感知執(zhí)行器臨床應用瓶頸

在封裝技術方面，研究團隊采用激光焊接封裝工藝代替?zhèn)鹘y膠粘工藝，為石英光纖與金屬彈性體等異種材料高可靠連接難題提供了解決方案。團隊所研制的傳感器能耐受術前180°C高溫滅菌與術中水環(huán)境侵蝕，并且在消毒后可重復使用超過10次，經過長期存儲后測量誤差仍低于5%，有效解決了光纖力感知執(zhí)行器械在復雜臨床環(huán)境下的適應性難題。

• 在機精度快速自校準：解決多次消殺復用下測量精度易失準問題

考慮到傳感器在安裝應力擾動與長期服役過程中可能引起的標定狀態(tài)改變和測量精度失準的問題，研究團隊提出了經緯變化加載的手術機器人腕部多維力在機快速校準方法，通過將光纖多維力傳感器與參考傳感器對應坐標軸連接后，使用機械臂帶動光纖多維力傳感器進行空間軌跡移動獲取在即標定波長與參考力數據，結合在機標定數據對標定矩陣進行快速校準，實現長期服役過程中光纖多維力傳感器測量精度維護。

• 算法自容錯處理：提升手術操作過程力感知可靠性

在算法層面，研究團隊提出了小波模糊熵算法對波長信號進行實時解析，實現了光纖多維力傳感器鏈路斷裂、光譜啁啾等故障行為的在線識別，并結合最小二乘法矩陣庫線性容錯解耦與極限學習機非線性解耦，實現自適應輸入通道調度，確保在部分FBG損壞情況下仍可輸出可靠的力/溫測量結果。

基于上述四項改進與創(chuàng)新，研究團隊設計并制造了六軸力/應變傳感器，并通過優(yōu)化傳感單元和跑道形梁的結構參數，增強了傳感器的各向同性、靈敏度和固有頻率。

同時，針對鉆具自重干擾測量精度及骨鉆孔振動導致力容差失效的技術難題，研究團隊將光纖多維力傳感器輸出波長信號接入MCGRU模型，實現手術交互狀態(tài)識別，可自主識別骨鉆穿透及皮質-松質層間過渡等關鍵階段。構建了基于突破力檢測與反饋功能的手術機器人輔助鉆孔系統，實現骨科手術機器人對鉆頭突破狀態(tài)實時檢測與推進深度的自主精細調控，有效避免誤傷骨下神經組織或硬腦膜。

▍多重實驗驗證，證實力傳感系統測量有效性

通過將柵區(qū)變徑FBG集成于手術執(zhí)行器中，研究團隊成功研制出具有三維力感知功能的智能手術夾鉗、剝離子，以及具有六維力感知功能的骨科手術鉆等工具。該裝置通過實時監(jiān)測器械-組織交互力，為經皮脊柱內鏡手術機器人提供了精確的力反饋信息，還確保了骨科手術機器人鉆孔過程骨下組織安全。在系統集成驗證階段，研究團隊首先將光纖力傳感器與脊柱內窺鏡手術機器人于骨科輔助手術機器人進行機電一體化整合，隨后通過模型實驗、活體動物實驗與尸體實驗的雙重驗證，證實了該力傳感系統的測量有效性。

• 腔鏡模型實驗

為全面評估系統的臨床應用價值，研究團隊設計了階梯式的實驗驗證方案。搭建了腔鏡手術模擬實驗裝置，通過腔鏡內組織切除、縫合以及剝離等操作。為量化力反饋系統的臨床效益，研究團隊還設計了對照實驗。在腹腔鏡模擬手術中，無力反饋組操作者施加的組織提拉力均值達5.6N（超過安全閾值47%），而啟用力反饋功能后，操作力可穩(wěn)定控制在3N以內（標準差0.33N）。在組織縫合驗證中，系統測量值與標準力傳感器的相對誤差僅為1.9%，證實了其具備臨床級測量精度。

• 活體動物實驗

在活體動物實驗中，選用解剖結構近似人類的巴馬豬開展脊柱內窺鏡手術驗證實驗。實驗過程中，光纖力感知手術執(zhí)行器成功完成了組織探測、神經根剝離等精細操作，測量到的最大操作力始終控制在2N以下，充分體現了其在微創(chuàng)手術中的力控優(yōu)勢。對比實驗發(fā)現，當器械與骨骼發(fā)生意外接觸或受呼吸運動干擾時，系統能及時捕捉到力信號的異常波動（最大瞬時值18.6N），這一功能為術者提供了重要的安全預警信息。

• 尸體實驗

為進一步模擬臨床手術條件，研究團隊在尸頭顱骨上進行了輔助鉆孔突破檢測實驗。實驗過程中在突破的階段，光纖六維力感知骨科手術鉆頭均很好的檢測到了交互力降低的時刻，通過力反饋程序成功在骨組織鉆穿前控制鉆頭退回，降低了骨下硬腦膜的損傷風險。提高了骨科輔助手術機器人智能化水準，并為骨科機器人從輔助操作到自主化手術操作發(fā)展提供了經驗借鑒。

上述系列實驗不僅驗證了該力傳感系統的可靠性，更重要的是解決了光纖傳感器在醫(yī)療應用中面臨的高壓蒸汽消毒的耐受性、體液環(huán)境下的長期穩(wěn)定性以及動態(tài)力測量的準確性三大關鍵技術難題，為手術機器人力感知技術的發(fā)展提供了完整的解決方案，對推動國內醫(yī)療機器人技術革新具有重要的臨床意義。

參考文章1：

https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/02783649251328373

參考文章2：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11062870/authors#full-text-header