Regeneron ISEF 2025 大奖：ENBM048 - 为机器人手术提供更柔和的触感

2024年，机器人辅助微创手术 (RAMIS) 已应用于数百万例手术。尽管其应用广泛，但其普遍缺乏力传感功能。很少有系统具备此功能，而且没有一个能够区分不同的组织类型，这导致7%的精细手术中出现损伤。这一差距凸显了对能够实时区分组织并实现精确力反馈的设备的需求。为了解决这个问题，开发了一种基于生物阻抗 (BI) 的测量系统，该系统集成了交流信号发生器、运算放大器放大级和分压电路。使用线性致动器对组织样本（肌肉、脂肪和骨骼）施加0N至10N的受控力。在正向、反向和超水合条件下，记录了五个频率（10 Hz至100 kHz）下的阻抗。通过建立预测模型，揭示了低频下阻抗-力呈线性关系，而高频下则表现出组织特异性的非线性行为，这归因于脂质双层的电容效应。由于骨骼含水量低，其变化几乎可以忽略不计；而超水合条件下，由于离子浓度均一，肌肉和脂肪的阻抗模式难以区分。这些发现首次证实了基于模型的机械力与生物阻抗之间的联系。该系统的代码能够以 86.5% 的准确率实时显示组织类型，并在 LCD 上显示推断出的力。这款低成本设备以新颖的方式利用生物阻抗来弥补 RAMIS 中的一个关键缺陷，为现有的基于机器学习的触觉反馈系统提供了新的输入。此外，阻抗数据还可以帮助训练异常检测算法，以便在术中识别肿瘤和钙化，从而提高手术干预的安全性和精准度。