SPJ｜CBS：杨广中团队提出集压电振动与原位力传感为一体的显微机器人驱动系统

精准穿透生物膜（如脑膜、角膜或细胞膜）是生物医学工程领域许多操作的核心需求。比如，侵入式脑机接口（BCI）需要将神经电极植入大脑而不引发过度炎症，眼科手术则要避免损伤视网膜。然而，传统方法往往依赖锋利探针的高速插入，易导致组织损伤增大，此外实时力反馈的缺失难以适应不同组织的异质性。英国皇家工程院院士、上海交通大学杨广中教授、郭遥副教授团队以“Integrated Piezoelectric Vibration and In-Situ Force Sensing for Low-Trauma Tissue Penetration”为题在Science合作期刊Cyborg and Bionic Systems（中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊）上发表研究型文章，提出了一种集成压电模块（IPEM），该模块融合高频振动辅助穿刺与实时原位力传感功能，为肿瘤活检、眼科微创手术及脑机接口电极植入等微尺度精准操作场景，提供了低创伤、高可控性的技术方案。

原文链接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0417

图一：文章提出的振动辅助穿刺和原位力传感系统示意图

研究背景与技术需求

神经电极植入、视网膜显微手术、单细胞穿刺等微尺度操作，均要求在精准穿透生物膜的同时最小化组织损伤。以脑机接口研究为例，神经电极需穿透硬脑膜、软脑膜及皮质组织，若穿刺力过大或缺乏实时力反馈，易引发组织炎症、胶质瘢痕、甚至血管破裂，影响电极长期稳定性与功能；眼科角膜、视网膜穿刺操作中，组织脆弱性进一步提升了对穿刺精度与力控的要求。

传统穿刺技术存在显著局限：其一，依赖手动或电机驱动的探针需通过高速插入突破组织，易导致组织挤压与机械损伤；其二，缺乏有效的原位力传感机制，难以实时监测针尖与组织的相互作用力，无法精准感知生物膜穿透过程，增加操作风险；其三，商用微型力传感器体积过大、灵敏度不足，难以集成于微尺度手术器械，无法满足亚毫牛级力测量需求。

核心创新：振动辅助+原位力感测的双重功能

压电效应的双向应用

IPEM系统核心在于利用压电材料的逆压电效应与正压电效应，实现驱动与传感功能的一体化集成。系统采用两个沿中心轴对齐的压电陶瓷（PZT）圆盘，分别承担驱动与传感功能：          

驱动功能（逆压电效应）：对驱动端PZT施加高频电压，使其产生轴向高频微振动，通过钨探针将振动传递至针尖。该振动可促进组织动态破裂，降低穿刺过程中的滑动摩擦与峰值力，同时控制横向位移在较小范围以内，保障穿刺路径稳定性。

传感功能（正压电效应）：传感端PZT与探针刚性连接，针尖与组织接触产生的机械力使PZT发生形变，进而产生电荷信号。通过电荷放大器、低通滤波器及模数转换器（ADC）对电荷信号进行处理，实现实时力测量。

图二：集成压电穿刺与传感系统的工作原理及结构设计

压电传感性能表现

线性度：静态加载实验中，力-电压曲线拟合优度 R²=0.9998，表明传感系统在工作范围内具有优异线性；

灵敏度与精度：系统灵敏度达9.3 mV/mN，平均绝对误差（MAE）<0.3 mN，平均绝对百分比误差（MAPE）<1%，满足微尺度操作的力测量需求；

动态响应：在正弦波与方波加载条件下，IPEM力信号与商用传感器信号一致性良好， 响应时间约8.5 ms，可有效捕捉穿刺过程中的力突变（如生物膜穿透时刻）。

图三：压电传感性能测试实验设置与测试结果

实验验证：从模拟到活体，力减33%

凝胶体模实验

采用明胶制备体模，对比振动开启与关闭状态下的穿刺性能：

穿刺力降低：峰值穿刺力从未开启振动时的11.95±0.63 mN降至开启振动辅助后的 10.44±0.22 mN，降幅约13%（p<0.05）；

热安全性：持续振动 10 分钟后，IPEM与明胶体模温度分别升高0.5℃与 0.1℃，远低于神经组织损伤阈值，验证了系统热安全性。

图四：凝胶体模穿刺实验过程钨探针移动与穿刺力曲线

动物脑膜穿刺实验

在麻醉小鼠脑皮层（暴露软脑膜）开展原位穿刺与电极模拟植入实验：

穿刺力降低：穿破软脑膜时，峰值穿刺力从未开启振动时的11.67±0.44mN降至开启振动辅助后7.80±0.19 mN，降幅约33%（p<0.05），有效减少组织机械损伤；

电极植入模拟：成功模拟柔性神经电极的植入-脱离过程，实时力传感可精准识别软脑膜穿透时刻，保障电极定位精度。

图五：小鼠脑膜穿刺实验过程钨探针移动与穿刺力曲线

总结

该研究通过压电效应的创新应用，实现了微尺度穿刺操作中驱动与传感功能的一体化集成，突破了传统技术在创伤控制与力控精度上的局限。IPEM系统的紧凑设计使其可适配多种微创器械，为脑机接口、眼科手术、肿瘤活检等领域提供了新的技术范式。未来研究方向将聚焦于基于实时力反馈的闭环控制算法开发，实现振动参数与穿刺速度的动态调整；针对不同组织力学特性（如角膜、肿瘤组织）的系统参数优化；以及多通道电极阵列植入场景的扩展应用，进一步推动该技术向临床转化。

论文第一作者为上海交通大学生物医学工程学院博士生何秉泽。上海交通大学杨广中教授、郭遥副教授为论文共同通讯作者。该研究得到了上海市市级重大科技专项2021SHZDZX资助，并得到上海市柔性医疗机器人重点实验室、上海交通大学医疗机器人研究院等单位的支持。

Bingze He, Yao Guo, Guang-Zhong Yang. Integrated Piezoelectric Vibration and In-Situ Force Sensing for Low-Trauma Tissue Penetration. Cyborg Bionic Syst. 0: DOI:10.34133/cbsystems.0417 

项目介绍

在上海市市级重大科技专项的支持下，上海交通大学杨广中教授团队研制具有自主知识产权的微创、高精度、自动化柔性神经电极植入手术机器人系统。在脑血管高分辨三维成像、柔性神经电极感知与操控、机器人系统精准微创植入、术中炎症因子检测等核心技术方面，项目组取得了一系列重要进展。针对术中关键挑战，团队开发了术中实时主动聚焦算法，有效克服了离焦模糊问题，为手术操作提供了清晰的视野；提出端到端自主学习框架，显著提升微尺度柔性电极的自主穿梭成功率，减少人工干预，提高手术效率与精准度；采用视觉伺服算法实现脑表靶点精准定位，并设计主动运动补偿算法，确保植入器械与动态靶点的相对静止，极大地减少了组织损伤，提高手术安全性；研制基于压电堆栈植入器械，成功实现软脑膜低损伤穿透，降低手术创伤。目前，项目已顺利完成体模实验与动物实验，在植入精度、速度、创伤控制及成功率等核心指标均达到预期目标，为后续临床应用奠定了坚实基础。

团队简介

瞄准医疗机器人技术国际前沿研究方向，对接国家高端医疗器械装备产业发展战略需求- 上海交通大学医疗机器人研究院是以英国皇家工程院院士、Science Robotics创刊主编杨广中教授为首席科学家的研究团队。研究院围绕肿瘤、心血管、神经退行性疾病等重大疾病的早期诊断和个性化治疗，研究院聚焦研发灵巧、智能和微创的医疗机器人技术。其目标和愿景是促进跨学科合作、加速研究成果的转化、培养专业人才和加强国际合作，深耕医疗机器人关键技术的创新研究，研发以柔性机器人和人工智能技术为核心的新一代医疗装备，创建多学科人才培养和产业孵化基地，促进创新机器人技术的临床转化。